专利名称：一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法
技术领域：
本发明属于机械加工领域，涉及一种铣削工艺参数优化方法，特别涉及一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法。
背景技术：
高速切削技术广泛应用于航空航天领域，已经成为提高加工效率和加工质量、降低成本的重要途径。目前，高速切削参数的合理选择仍然是困扰企业的一个难题，多数企业仍凭借试切法来确定加工时的切削用量，往往无法得到最优切削参数组合，过于保守的切削用量限制了高速机床性能的发挥和生产效率的提高。如国内某军工厂，尽管购置了国外先进的高速机床加工整体叶轮，但是他们选择的切削用量过于保守，加工叶轮所需的时间仍然要比国外长很多。不仅如此，今天高速加工主要用在航空航天精密零件制造中，往往因 试切参数选择不合适导致高附加值零件报废。因此，在高速机床装备性能已确定的条件下，如何合理选择切削参数，对于提高生产效率、减少零件报废率等具有重要的意义。国内外对铣削加工工艺参数优化的研究非常重视，多数研究都是从加工过程切削稳定性的角度出发，建立铣削动力学模型，计算颤振稳定曲线并优化工艺参数。土耳其的 BUDAK 等(Budak E,Tekeli A. Maximizing chatter free material removal rate inmilling through optimal selection of axial and radial depth of cut pairs[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2005, 54 (I) : 353-356.)基于颤振理论研究了铣削加工中轴向切深和径向切深的选择方法，从而达到最大材料去除率。加拿大的Merdol 等(Merdol SD, AltintasY. Virtual Simulation and Optimization of MillingApplications-Part 11: Optimization and Feedrate Scheduling[J]. Journal ofManufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME, 2008, 130(5):0510051-05100510)综合考虑了切削过程中切削力、切屑厚度、主轴功率、工件尺寸误差及加工稳定性等约束条件，提出了一个通用的切削参数优化策略。申请号为200910046725. 3的发明专利公开了一种刀具模态参数不确定的曲面五轴数控工艺参数优化方法，其特点在于将刀具系统模态参数的不确定性引入工艺参数规划中，以此计算颤振稳定曲线，更能反映真实的加工工况。申请专利号为201110183747. I的发明专利公开了一种薄壁复杂曲面铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法，其特点在于利用实验法获得切削力和工件模态参数，计算不同阶段机床极限稳定工艺参数。从现有检索文献发现，现有研究多没有考虑到高速铣削中的高速效应，即离心力和陀螺力矩效应。在建立铣削动力学模型时没有计入高速主轴动态特性随转速的变化，往往利用静态下测试的主轴-刀具系统的模态参数，计算颤振稳定曲线，并以此作为工艺参数优化的约束条件。因此并不能反映高速铣削的真实工况。
发明内容
本发明的目的在于为高速铣削加工提供一种准确可靠的基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法；该方法考虑了高速旋转状态下主轴-刀具系统的离心力和陀螺力矩效应，更加接近实际工况，提高了稳定性预测的准确性，为高速铣削工艺参数优化提供了又一有效技术。本发明是通过以下技术方案实现上述目的一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法，该方法包括以下步骤I)输入主轴-刀具系统的结构参数和初始切削条件，为高速主轴系统动力学建模和切削过程建模提供数据支持；2)考虑离心力和陀螺力矩效应，建立主轴-刀具系统动力学模型，据此计算刀尖处的频率响应函数；同时根据输入的切削条件，利用试验法确定切削力系数；3)建立高速主轴-刀具动态特性与铣削交互过程模型，得到闭环动态铣削系统的 特征方程；4)利用奈奎斯特稳定性判据，求解闭环动态铣削系统的特征方程，计算高速铣削加工颤振稳定性叶瓣图；5)以高速铣削加工颤振稳定性叶瓣图下界曲线为约束条件，以最大材料去除率为优化目标，选取机床主轴转速和切削深度，实现高速铣削参数优化。本发明进一步的改进在于所述步骤I)中，主轴-刀具系统的结构参数包括各子部件的几何尺寸、材料特性参数；所述材料特性参数包括杨氏模量、泊松比和密度；初始切削条件包括工件材料、刀具材料、刀刃数和径向切削深度。3、根据权利要求I所述的一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法，其特征在于，所述步骤2)中，高速主轴-刀具系统动力学模型为/fix + cx + kx = F(I)式中，又、i:和X分别为系统的加速度、速度和位移振动响应，F为外力矢量;m、c和k分别为主轴系统的质量、阻尼和刚度矩阵；其中m = msc=cD- Ω G(2)k=ks+kB- Ω 2mc式中，ms为主轴部件的质量矩阵；cD为结构阻尼，可以利用实验模态测试得到，Ω为主轴转速，G为主轴转子的陀螺矩阵；ks为主轴部件的刚度矩阵，4为主轴轴承刚度矩阵，mc为离心力引起的等效质量矩阵；利用式(I)，计算刀尖处的频率响应函数；所述步骤2)中，利用试验法确定切削力系数，是指全齿铣削实验平均切削力法。本发明进一步的改进在于所述步骤2)中，高速主轴-刀具系统动力学模型的建立过程如下首先，将高速主轴系统分为两个子系统，即主轴部件子系统和轴承部件子系统；主轴部件子系统由具有轴对称结构的零部件转子、电机、带轮、拉刀杆、刀具、套筒及主轴箱体组成；利用Timoshenko梁单元对梁类结构的主轴转子、拉刀杆、刀具和主轴箱进行有限元建模；利用转盘单元对盘类结构对电机、带轮和套筒进行建模；对于轴承，考虑离心力、陀螺力矩和热变形，利用Jones提出的轴承模型进行建模；最后，将主轴与轴承部件的理论模型进行集成，得到整个主轴系统的高速主轴-刀具系统动力学模型。本发明进一步的改进在于步骤3)中闭环动态铣削系统的特征方程
权利要求
1.一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 1)输入主轴-刀具系统的结构参数和初始切削条件，为高速主轴系统动力学建模和切削过程建模提供数据支持； 2)考虑离心力和陀螺力矩效应，建立主轴-刀具系统动力学模型，据此计算刀尖处的频率响应函数；同时根据输入的切削条件，利用试验法确定切削力系数； 3)建立高速主轴-刀具动态特性与铣削交互过程模型，得到闭环动态铣削系统的特征方程； 4)利用奈奎斯特稳定性判据，求解闭环动态铣削系统的特征方程，计算高速铣削加工颤振稳定性叶瓣图； 5)以高速铣削加工颤振稳定性叶瓣图下界曲线为约束条件，以最大材料去除率为优化目标，选取机床主轴转速和切削深度，实现高速铣削参数优化。
2.根据权利要求I所述的一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法，其特征在于，所述步骤I)中，主轴-刀具系统的结构参数包括各子部件的几何尺寸、材料特性参数；所述材料特性参数包括杨氏模量、泊松比和密度；初始切削条件包括工件材料、刀具材料、刀刃数和径向切削深度。
3.根据权利要求I所述的一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法，其特征在于，所述步骤2)中，高速主轴-刀具系统动力学模型为 mx+cx + kx = F(I) 式中，i、i:和X分别为系统的加速度、速度和位移振动响应，F为外力矢量;m、c和k分别为主轴系统的质量、阻尼和刚度矩阵；其中m = ms c=cD- Ω G(2) k - kg ^kg- Ω IHq 式中，ms为主轴部件的质量矩阵；Cd为结构阻尼，可以利用实验模态测试得到，Ω为主轴转速，G为主轴转子的陀螺矩阵；ks为主轴部件的刚度矩阵，kBS主轴轴承刚度矩阵，m。为离心力引起的等效质量矩阵； 利用式(I)，计算刀尖处的频率响应函数； 所述步骤2)中，利用试验法确定切削力系数，是指全齿铣削实验平均切削力法。
4.根据权利要求I或3所述的一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法，其特征在于，所述步骤2)中，高速主轴-刀具系统动力学模型的建立过程如下首先，将高速主轴系统分为两个子系统，即主轴部件子系统和轴承部件子系统；主轴部件子系统由具有轴对称结构的零部件转子、电机、带轮、拉刀杆、刀具、套筒及主轴箱体组成；利用Timoshenko梁单元对梁类结构的主轴转子、拉刀杆、刀具和主轴箱进行有限元建模；利用转盘单元对盘类结构对电机、带轮和套筒进行建模；对于轴承，考虑离心力、陀螺力矩和热变形，利用Jones轴承模型进行建模；最后，将主轴与轴承部件的理论模型进行集成，得到整个主轴系统的高速主轴-刀具系统动力学模型。
5.根据权利要求I所述的一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法，其特征在于，步骤3)中闭环动态铣削系统的特征方程
全文摘要
本发明涉及一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法，包括1)输入主轴-刀具系统的结构参数和初始切削条件；2)建立主轴-刀具系统动力学模型，据此计算刀尖处的频率响应函数；确定切削力系数；3)建立高速主轴-刀具动态特性与铣削交互过程模型，得到闭环动态铣削系统的特征方程；4)计算高速铣削加工颤振稳定性叶瓣图；5)以高速铣削加工颤振稳定性叶瓣图下界曲线为约束条件，以最大材料去除率为优化目标，选取机床主轴转速和切削深度，实现高速铣削参数优化。本发明考虑了高速旋转状态下主轴-刀具系统的离心力和陀螺力矩效应，更加接近实际工况，提高了稳定性预测的准确性，为高速铣削工艺参数优化提供了又一有效技术。
文档编号B23C1/00GK102873381SQ20121037162
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者曹宏瑞, 何正嘉, 訾艳阳, 陈雪峰, 张周锁, 李兵 申请人:西安交通大学