一種基于過阻尼效應(yīng)銑削顫振穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械加工領(lǐng)域，具體涉及一種基于過阻尼效應(yīng)銑削顫振穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 銑削加工廣泛應(yīng)用于航空航天模具等行業(yè)，再生顫振是提高生產(chǎn)效率的主要制約 因素之一。高速加工理論的發(fā)展，通過選擇主軸轉(zhuǎn)速，使刀齒的切入頻率與顫振頻率同步來 避免顫振的發(fā)生。在較高的材料去除率的高速銑削階段，經(jīng)典的顫振葉瓣圖提供精確的穩(wěn) 定性預(yù)測(cè)。然而，在低速加工階段，由于在主軸的一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)存在大量完整的振動(dòng)波 長，導(dǎo)致葉瓣圖太致密，使得經(jīng)典的顫振理論往往不能精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性。另一方面，實(shí)驗(yàn) 觀察表明，當(dāng)切削速度遠(yuǎn)低于加工系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定切削區(qū)域會(huì)顯著增加。這 種低速切削時(shí)穩(wěn)定切削區(qū)的顯著增加，可歸結(jié)為刀具后刀面與不平工件表面間摩擦作用所 導(dǎo)致的切削速度變化，即過程阻尼作用。
[0003] 過程阻尼效應(yīng)的研究主要集中在國外的專家學(xué)者文獻(xiàn)中，國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究相 對(duì)比較少。Altintas教授認(rèn)為過程阻尼效應(yīng)對(duì)顫振穩(wěn)定性的研究將成為最具挑戰(zhàn)性的研究 課題;提到刀具磨損將引起過程阻尼系數(shù)增加，從而增加顫振穩(wěn)定臨界區(qū)域。Budak提到在 低速加工中的過程阻尼效應(yīng)以其復(fù)雜性成為研究重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。該效應(yīng)與切削用量、切 削溫度、刀具材料特性、剪切面變動(dòng)等因素密切相關(guān);切削難加工材料將產(chǎn)生熱量高，易導(dǎo) 致刀具磨損，將改變切削刃的幾何形狀與后刀面接觸的已加工工件波紋表面，從而增加了 過程阻尼效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] -種基于過阻尼效應(yīng)銑削顫振穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0005] 步驟1:在進(jìn)行工件銑削過程中，獲取銑削刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和銑削過程動(dòng)態(tài)參 數(shù)；
[0006] 所述銑削刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:刀具刀齒數(shù)Nf、刀具后角λ和刀具直徑D;
[0007] 所述銑削過程動(dòng)態(tài)參數(shù)包括:刀具顫振角頻率ω。、刀具振幅Α〇和刀具角速度Ω。
[0008] 步驟2:根據(jù)銑削刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和銑削過程動(dòng)態(tài)參數(shù)確定一個(gè)刀齒旋轉(zhuǎn)周期 內(nèi)工件銑削過程中犁削力產(chǎn)生的總能量，利用能量守恒定律，將該犁削力產(chǎn)生的總能量等 價(jià)于一個(gè)周期內(nèi)等價(jià)線性過程阻尼力產(chǎn)生的能量，得到等價(jià)線性過程阻尼系數(shù)；
[0009] 步驟2.1:根據(jù)銑削刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和銑削過程動(dòng)態(tài)參數(shù)確定刀具的切向位移 和刀具的徑向位移；
[0010] 步驟2.2:將刀具的軸向切深a均分為Νζ個(gè)微元，確定刀具刀齒的切向犁削微元力 和刀齒的徑向犁削微元力；
[0011] 步驟2.3:確定犁削力在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)產(chǎn)生的能量ei，即刀具刀齒在一個(gè)振動(dòng)波 長刀齒徑向犁削微元力和切向犁削微元力所做功之和；
[0012] 步驟2.4:根據(jù)刀具顫振角頻率ω。和刀具角速度Ω確定刀具刀齒旋轉(zhuǎn)一周留在工 件表面的振動(dòng)波紋個(gè)數(shù)；
[0013] 步驟2.5:確定犁削力的總能量，即犁削力在刀具刀齒旋轉(zhuǎn)一周做的功；
[0014] 步驟2.6:利用能量守恒定律，將犁削力的總能量等價(jià)于一個(gè)周期內(nèi)采用線性粘性 阻尼的過程阻尼力產(chǎn)生的能量，得到等價(jià)線性過程阻尼系數(shù)。
[0015] 步驟3:將等價(jià)線性過程阻尼轉(zhuǎn)變?yōu)閄方向等價(jià)過程阻尼和y方向等價(jià)過程阻尼，得 至Ijx方向等價(jià)過程阻尼系數(shù)和y方向的等價(jià)過程阻尼系數(shù)；
[0016] 步驟4:將X方向等價(jià)過程阻尼系數(shù)和y方向等價(jià)過程阻尼系數(shù)輸入銑削動(dòng)力學(xué)方 程得到基于過程阻尼效應(yīng)的銑削動(dòng)力學(xué)模型；
[0017] 步驟5:采用Ζ0Α法求解基于過程阻尼效應(yīng)的銑削動(dòng)力學(xué)模型，得到基于過程阻尼 效應(yīng)的顫振穩(wěn)定性模型，從而得到極限穩(wěn)定性切深與刀具轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，并繪制基于過 程阻尼效應(yīng)的顫振穩(wěn)定性葉瓣圖。
[0018] 所述基于過程阻尼效應(yīng)的顫振穩(wěn)定性模型為：
[0019] 1 + ak, A/, [1 - οχρ(Λ?.7'/)][Φ;；^ ,] = 0
[0020] 其4
為刀具與工件接觸面積的傳遞函數(shù)矩陣， 為刀具與工件接觸面積X方向的直接傳遞函數(shù)，φη 為刀具與工件接觸面積y方向的直接 傳遞函數(shù)，廣0為交叉?zhèn)鬟f函數(shù)，a為刀具的軸向切深，kt為切向切削力常數(shù)， Nf為刀具刀齒數(shù)，ω。為刀具顫振角頻率，τ為刀具旋轉(zhuǎn)周期，i為復(fù)數(shù)。
[0021 ]本發(fā)明的有益效果：
[0022] 本發(fā)明提出一種基于過阻尼效應(yīng)銑削顫振穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，在難加工材料、復(fù)雜 曲面的較低速加工中，過程阻尼效應(yīng)在顫振穩(wěn)定性中起到非常重要的作用，特別在銑削航 空材料，具有低導(dǎo)熱率鈦合金時(shí)，將產(chǎn)生熱量相對(duì)比較大，從而導(dǎo)致刀具磨損;過程阻尼系 數(shù)將增大，從而將顫振穩(wěn)定區(qū)域極限有所改變，本發(fā)明提出的基于過阻尼效應(yīng)銑削顫振穩(wěn) 定性預(yù)測(cè)方法，解決了在低速加工時(shí)，由于顫振穩(wěn)定性葉瓣致密導(dǎo)致無法利用穩(wěn)定域選取 切削參數(shù)的問題，提高了顫振穩(wěn)定區(qū)域預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)加工過程中參 數(shù)的優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率具有重要的意義。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中基于過阻尼效應(yīng)銑削顫振穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法的流程 圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中基于過程阻尼銑削動(dòng)力學(xué)模型；
[0025]其中，（a)為刀具切入工件模型，（b)為刀具侵入工件的一個(gè)振動(dòng)波長示意圖；
[0026] Kx為刀具X方向剛度系數(shù)，Cx為刀具X方向阻尼系數(shù)，Ky為刀具y方向剛度系數(shù)，C y為 刀具y方向阻尼系數(shù)，F(xiàn)pt為切向犁削力，F(xiàn)pr為徑向犁削力，^為刀具刀齒j徑向距離，為刀 具刀齒j切向距離，λ為刀具后角，cutter」-丨為刀具第j-Ι個(gè)刀齒，cutter」為刀具第j個(gè)刀齒， v為刀具線速度，A〇為刀具振幅，L為刀具侵入工件的一個(gè)振動(dòng)的波長，Φ」為刀具刀齒j與工 件的接觸角，Ω為刀具角速度；
[0027] 圖3為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中將犁削力產(chǎn)生的總能量等價(jià)于一個(gè)周期內(nèi)等價(jià)線性 過程阻尼力產(chǎn)生的能量得到等價(jià)線性過程阻尼系數(shù)的流程圖；
[0028] 圖4為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中未考慮過程阻尼效應(yīng)的顫振穩(wěn)定性葉瓣圖和基于過 程阻尼效應(yīng)的顫振穩(wěn)定性葉瓣圖對(duì)比圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中不同刀具后角情況下的基于過程阻尼效應(yīng)的顫振穩(wěn) 定性葉瓣圖對(duì)比圖；
[0030] 圖6為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中不同刀具振幅情況下的基于過程阻尼效應(yīng)的顫振穩(wěn) 定性葉瓣圖對(duì)比圖；
[0031] 圖7為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中不同刀具剛度情況下的基于過程阻尼效應(yīng)的顫振穩(wěn) 定性葉瓣圖對(duì)比圖；
[0032] 圖8為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中不同刀具結(jié)構(gòu)阻尼情況下的基于過程阻尼效應(yīng)的顫 振穩(wěn)定性葉瓣圖對(duì)比圖；
[0033] 圖9為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中不同刀齒數(shù)情況下的基于過程阻尼效應(yīng)的顫振穩(wěn)定 性三維葉瓣圖對(duì)比圖；
[0034] 圖10為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中不同徑向切深與刀具直徑之比情況下的基于過程 阻尼效應(yīng)的顫振穩(wěn)定性三維葉瓣圖對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】加以詳細(xì)的說明。
[0036]本發(fā)明提供了一種基于過阻尼效應(yīng)銑削顫振穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，把刀具的振動(dòng)分解 為徑向的往復(fù)振動(dòng)和切向的直線運(yùn)動(dòng)，計(jì)算在刀齒一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，由于刀具后刀面侵入 工件已加工表面的侵入力所做的功，然后乘以刀具一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)完整的振動(dòng)波紋數(shù)，利 用能量等價(jià)原理用非線性阻尼等價(jià)成線性阻尼，采用頻域法求解顫振穩(wěn)定性葉瓣圖，在低 速銑削過程中，能夠高效準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)顫振穩(wěn)定性切深極限。因此對(duì)優(yōu)化切削參數(shù)，加工表面 質(zhì)量和加工效率提供理論指導(dǎo)。
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