一种基于机床动力学特性的切削模拟方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及切削模拟方法，特别涉及一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展对于精密光学零件不仅仅要求具有良好的面型精度和表面 粗糙度，同时对表面波纹度也提出了苛刻的要求。由于表面波纹度主要受机床动态性能的 影响，以往的切削仿真模型仅考虑了刀具与工件间的相互作用，无法考虑机床的动态性能， 因此无法实现对表面波纹度的仿真即波纹度是介于面型误差和粗糙度之间的中频误差，主 要由加工过程中机床-工件-刀具系统的振动引起，是超精密加工中普遍存在的现象。但是 现有的仿真模型中只考虑了刀具与材料间的切削去除作用，而没有考虑机床的动态特性， 因此无法实现对表面波纹度的仿真。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决现有的切削仿真模型，无法考虑机床的动态性能，不能 进行表面波纹度仿真的问题，而提出的一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。
[0004] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
[0005] 步骤一：通过对机床进行动力学仿真分析或开展模态实验，得到机床的主导模态 参数；其中，主导模态参数包括固有频率和等效刚度k;
[0006] 步骤二：根据机床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性的线性 杆单元模型；
[0007] 步骤三：将步骤二得到的等效的线性杆单元模型与刀具模型进行耦合，建立仿真 丰旲型；
[0008] 步骤四：采用步骤三所建立的仿真模型，进行切削仿真；即可得到考虑机床动态 特性的切削结果；即完成了一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。
[0009] 发明效果
[0010] 本发明解决了现有的切削仿真方法无法考虑机床系统的动态特性的问题。首先对 机床的动态特性（主导模态）等效成一个悬臂梁，然后将刀具模型与悬臂梁进行耦合，实现 考虑机床动态特性的切削仿真。
[0011] 本发明基于机械动力学、切削原理及有限元方法实现的；这种方法不仅可以更加 精确的仿真刀具的磨损，工件的表面粗糙度，而且可以实现工件波纹度的模拟，该建模方法 效率高、操作简单、结果可靠，对表面波纹度的仿真预测具有重要意义。如图1~3所示，在 abaqus中所建立的能够反映机床动态特性的切削仿真模型：所获得的切削仿真结果，实现 了由于机床系统动态性能所引起的表面波纹的仿真：
【附图说明】
[0012]图1为实施例提出的机床主导模态等效过程示意图；其中，a)为机床的有限元模 型，b)为机床的动态响应曲线，c)为机床系统等效模型，d)机床系统等效模型的动态响应 曲线；
[0013] 图2为实施例提出的考虑机床动态特性的切削仿真模型示意图；
[0014] 图3为实施例提出的切削仿真结果示意图；
[0015] 图4为【具体实施方式】一提出的一种基于机床动力学特性的切削模拟方法流程图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0016] 一：本实施方式的一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，具体 是按照以下步骤制备的：
[0017] 步骤一：通过对机床进行动力学仿真分析或开展模态实验，得到机床的主导模态 参数如图1所示；其中，主导模态参数包括固有频率和等效刚度k;
[0018] 步骤二：根据机床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性（主导 模态）的线性杆单元模型；
[0019] 步骤三：将步骤二得到的等效的线性杆单元模型与刀具模型进行耦合即将线性杆 杆单元与刀具模型结合面上节点的自由度耦合在一起，使二者具有相同的位移（因为现行 杆单元和刀具模型都是采用的有限单元法对它们进行的网格划分，耦合就是指它们结合面 处的自由度（位移）相同），建立仿真模型；
[0020] 步骤四：采用步骤三所建立的仿真模型，进行切削仿真；即可得到考虑机床动态 特性的切削结果如图4 ;即完成了一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。
[0021] 本实施方式效果：
[0022] 本实施方式解决了现有的切削仿真方法无法考虑机床系统的动态特性的问题。首 先对机床的动态特性（主导模态）等效成一个悬臂梁，然后将刀具模型与悬臂梁进行耦合， 实现考虑机床动态特性的切削仿真。
[0023] 本实施方式基于机械动力学、切削原理及有限元方法实现的；这种方法不仅可以 更加精确的仿真刀具的磨损，工件的表面粗糙度，而且可以实现工件波纹度的模拟，该建模 方法效率高、操作简单、结果可靠，对表面波纹度的仿真预测具有重要意义。如图1~3所 示，在abaqus中所建立的能够反映机床动态特性的切削仿真模型：所获得的切削仿真结 果，实现了由于机床系统动态性能所引起的表面波纹的仿真：
【具体实施方式】 [0024] 二：本实施方式与一不同的是：步骤一中固有频率Wn 为100~300Hz;等效刚度k为50N/微米~1000N/微米。其它步骤及参数与具体实施方 式一相同。
【具体实施方式】 [0025] 三：本实施方式与一或二不同的是：步骤二中根据机 床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性（主导模态）的线性杆单元模型 具体过程为：
[0026] 根据机床的主导模态参数包括固有频率和等效刚度k，线性杆单元模型能够反 映机床主导模态参数，建立的等效方法如下：
【主权项】
1. 一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，其特征在于：一种基于机床动力学特性 的切削模拟方法，具体是按以下步骤进行的： 步骤一：通过对机床进行动力学仿真分析或开展模态实验，得到机床的主导模态参数； 其中，主导模态参数包括固有频率ωη和等效刚度k ; 步骤二：根据机床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性的线性杆单 元模型； 步骤三：将步骤二得到的等效的线性杆单元模型与刀具模型进行耦合，建立仿真模 型； 步骤四：采用步骤三所建立的仿真模型，进行切削仿真；即可得到考虑机床动态特性 的切削结果；即完成了一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。
2. 根据权利要求1所述一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，其特征在于：步骤 一中固有频率《"为100~300Hz ;等效刚度k为50N/微米~1000 N/微米。
3. 根据权利要求1所述一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，其特征在于：步骤 二中根据机床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性的线性杆单元模型 具体过程为： 根据机床的主导模态参数包括固有频率ωη和等效刚度k，建立的等效方法如下： 线性杆单元的等效刚度为：
其固有频率为
其中，L表示线性杆单元的长度，A表示线性杆单元的截面积，E表示线性杆单元的弹性 模量;m表示线性杆单元的质量。
4. 根据权利要求1所述一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，其特征在于：步骤 四中采用步骤三所建立的仿真模型，进行仿真切削的具体过程为： (1) 在切削仿真软件Abaqus中将等效杆单元顶端在X、Y和Z轴方向位移进行全约束； 使得等效杆单元位移为〇 ; (2) 工件以速度V沿切削方向进给，线性杆单元带动刀具根据切削力产生动态位移； (3) 根据（2)产生动态位移使得刀具在工件的表面产生动态位移的波动，造成加工中 工件表面的波纹度。
5. 根据权利要求4所述一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，其特征在于：工件 速度 V 为 〇. lm/s ~50m/s。
【专利摘要】一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，本发明涉及基于机床动力学特性的切削模拟方法。本发明是要解决现有的切削仿真模型，无法考虑机床的动态性能，不能进行表面波纹度仿真的问题，而提出的一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。该方法是通过步骤一：得到机床的主导模态参数；步骤二：根据机床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性的线性杆单元模型；步骤三：将步骤二得到的等效的线性杆单元与刀具模型进行耦合，建立仿真模型；步骤四：采用步骤三所建立的仿真模型，进行切削仿真；即可得到考虑机床动态特性的切削结果等步骤实现的。本发明应用于切削模拟领域。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104765937
【申请号】CN201510218152
【发明人】陈万群, 卢礼华, 刘海涛, 张鹏, 孙付仲
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月30日