专利名称：用调整好的切割速率确定加工工件的状态条件的方法
技术领域：
本发明整体涉及可能确定会在加工时振动的工件的加工条件的方法。本发明的目 的在于确定切割条件，尤其是切割速度，以避免出现这种振动。
背景技术：
某些大尺寸工件，例如涡轮机的转子盘，具有钟形形状并具有相当薄的壁，这些工 件很容易在加工时出现振动。已经存在用于模拟加工时的振动的刀具，而且这些刀具在某些情况下可以在车削 或铣削这些部件的同时预测振动问题的发生。然而，这些模拟刀具通常基于只适用于研究 车削速度恒定系统的频率方法。然而，为了避免这种工件发生谐振，优选周期性地改变旋转 速度(车削或铣削速度)以防止该系统发生谐振从而防止出现所述振动。这种调整切割速 度的函数由两个参数来表征速度改变幅度以及所述振动的周期。然而，对于每个加工阶段，都需要确定合适的调整函数。至到目前，这都是凭经验 完成的。这意味着，当为加工各个工件准备步骤计划时，需要执行多次测试，从而造成了大 量的时间损失并造成大量由贵重合金制成的工件废弃。
发明内容
本发明能够通过提出对加工阶段进行连续模拟以能够优化调整函数的参数来解 决上述问题。更具体地说，本发明提供了一种在调整工件与刀具之间的切割速度的同时确定所 述工件的加工阶段状况的方法，所述方法的特征在于如下步骤暂时设定用于调整所述速 度的函数参数来模拟所述加工阶段；通过计算所述工件在所述加工阶段结束之后相应的表 面状态进行推演；重复改变所述调整函数的所述参数，直到所述表面状态达到可接受值之 前每次模拟所述加工阶段以推演出相应的表面状态；以及通过使应用于与可接受值的表面 状态所对应的调整函数的所述切割速度改变来执行所述加工阶段。
下文仅通过实例的方式并参考附图对在调整工件与刀具之间的切割速度的情况 下确定加工工件的阶段条件的方法进行了描述，可以通过阅读该描述更清楚地理解本发明 及其其它特征，附图中的唯一附图是确定所述参数从而能使加工受控的重复工序的流程图 的框图。
具体实施例方式附图描述了模拟加工处理。假设在预定时间T内执行一次加工操作。假定T为所 述预定时间T内的时间间隔。为T选择的值越小，需要执行的计算量越大，但是这可以精确 地描述现象和部件的形状，包括在一次加工操作结束时的表面状态。该加工操作是刀具持续地与工件的材料保持接合的加工阶段。此外，多种模型可以用于以计算机的形式表示工件和构成系统的组件，并且描述 各种工件与组件彼此之间的相互作用。描述工件和组件机械性能的大多数模型是利用所谓 的“有限元”方法做出来的。工件或组件由形成网格的元素组表示。网格的各个节点与表 示要描述的现象的值相关联。例如，对于假定为刚性的工件的简单表示，节点的坐标足以构 成模型。如果模型所描述的部分会发生变化(如变形、移动)，则需要额外的自由度来进行 模型的变换。举例而言，增加三个旋转自由度以及增加三个平移自由度。描述各个工件与元件彼此之间的相互作用的模型可以采用多种形式传递函数、 描述性模型以及等式等等。根据本发明，下述模型之间有以下区别Gw是工件的受加工处理影响的区域的初始几何模型。Gt是刀具的作用部分的几何模型。Gt是恒定的，尽管可以预见并描述该模型中的 缓慢变化以考虑例如刀具磨损等。更具体地说，该几何模型实际上是一组描述各个独立刀 具(齿、刀片、刀刃……)的模型。这个几何模型是表面模型，表示了刀具的作用部分，尤其 是刀具的切割面。如果刀具的作用部分变形，则几何模型可以随着时间引入作用部分的变形作为刀 具与工件之间的接合函数。Fc是由刀具与工件之间的相互作用而产生的切割力模型(局部切割关系)。举例 而言，可以使用本领域技术人员已知的金茨勒(Kienzle)类型的切割关系，该关系用于将 局部瞬时切割力确定作为被移除的材料部分(切割厚度和宽度，即切屑尺寸)的函数并且 作为刀具-工件动态特性的函数。瞬时切割力是刀具施加给工件的力并且是反作用力施加 给如下点的力这些点被选择为用于准确地描述刀具与工件之间的相互作用。Dwmt是工件-机床系统的动态模型。该Dwmt模型通常是用于描述加工时的系统 动态特性的有限元模型。动态模型Dwmt包含有矩阵形式的参数M、C和K以及列矩阵q，这 将在下文中进行描述。下面是对模拟加工的说明，该说明是参考附图给出的，其中，在流程图的空白处示 出了上文定义的用于介入该过程的各种模型，该流程图示出了用于确定对切割速度模型化 的函数的算法10。常数t = 0是预期加工的模拟阶段的开始。对于每个t = t+At，可以限定刀具相 对于工件的行进速率(框12)。该行进速率随着时间改变，这是因为行进速率取决于切割速 度的调整函数。例如，切割速度可以以如下方式表达Ω ⑴=ΩΝ+Δ Ω. Fco ⑴其中，-1< Fco (t) < 1。Fco (t)是时间2 Π/ω的周期函数，ΩΝ是标称速度，并且Δ Ω是所述标称速度 的变化幅度。优选的是，Fco (t)是正弦波。搜寻该调整函数能够获得满意表面状态的参数，S卩，比预定值小的“粗糙度”或“波 云力巾畐度(undulation)，，。从刀具对工件行进速率的描述12以及模型Gw和Gt开始，可以描述(框1 工件与刀具之间的相互作用(交互)。该相互作用的结果以及模型Fc用于描述局部力Fcut(t) (框 14)。利用动态模型Dwmt和局部力Fcut (t)，可以写下并解微分方程组(框15)，Mq'+ Cq+ Kq = Qc + Qb其中q (t)是参数组的列矩阵qi (t)；，.U)是q⑴的一阶导数；q(t)是 q(t)的二阶导数；Qc(t)表示刀具与工件之间相互作用得到的合力。这些量是从利用切割模型获得 的局部力Fcut (t)中推导出的；Qb(t)表示除Qc之外的合力。其尤其与夹持力有关；M(t，Ω )是质量矩阵；C (t，Ω )是阻尼矩阵；以及K(t，Ω)是刚度矩阵。矩阵M、C和K可以在加工期间(缓慢地)改变从而考虑到因材料被移除而造成质 量和刚度的损失。这些矩阵还可以包括作为Ω的函数的回转效应。针对每个预定时间增量Δ (t)来求解微分方程组。因此，在知道q(t)中的t位于
范围内时，可以获得q(t+At)，只要累计的时间间隔ΔΤ小于T即可，S卩，只要预期的 加工阶段没有结束即可。时间每增加一次，就实施一次材料移除算法16。该材料移除算法 的目的是模拟每次时间间隔上的材料移除，即更新模型Gw。一旦针对时间(T)模拟了整个加工阶段，则将Gw的状态与基准Gwr (测试17)进 行对比，尤其为了能够估算加工阶段结束时(通常是在刀具的一次操作后)工件的表面状 态。如果Gw的表面状态良好，即至少等于Gwr，那么，获得能够得到该结果的调整函数 的参数(框18)。随后在时长T的实际加工中采用这些参数Δ Ω和ω来改变应用于调整 函数的(车削加工时心轴的)旋转速度。如果表面状态不够良好，则改变调整函数的参数(框19)以改变刀具工件行进特 性，重新开始加工阶段的模拟，根据需要多次执行上述步骤以获得表示良好表面状态的更 新模型Gw0应该注意到已经公开了实施上述步骤的算法。这些公开出版物的参考资料如下论文有Kaled Dekelbab, 1995, ‘‘ Modelisation et simulation du comportement dynamique de 1 ‘ ensemble Piece-OutiI-Machine en usinage par outil coupant " [Modeling and simulating the dynamic behavior of a workpiece-and-machinetool assembly during machining by a cutter tool (对禾 用刀具进行加工时工件和机床组件的动态模型进行建模和模拟)]，Ecole Nationale Superieure df Arts et Metiers -CER, Paris.Erwan Beahchesne，1999， “ Modelisation et simulation dynamique de1 ‘ usinage :prise en compte d' une piece deformable/r [Dynamic simulation and modeling of machining :taking account of a workpiece that is deformable(力口工 的动态模拟和建模考虑到可变形的工件)]，Ecole Nationale Superieure d' Arts et Metiers -CER, Paris.Audry Marty, 2003， 〃 Simulation numerique de 1 ' usinage par outil coupant al' echelle macroscopique !contribution ala definition geometrique de la surface usinee“ ， [Numerical simulation of machining by a cutting tool at a macroscopic scale !contribution to a geometrical definition of the machined surface(在宏观尺度利用切割刀具进行加工的数值模拟对加工表面的几何限定的贡 S^)], Ecole Nationale Superieure df Arts et Metiers -CER, Paris.Stephanie Cohen_Assouline，2005， “ Simulation numerique de 1 ' usinageal ' echelle macroscopique :prise en compte d ' une piece deformable “ [Numerical simulation of machining at macroscopic scale taking account of a workpiece that is deformable (宏观尺度的加工的数值模拟考虑到可变 形白勺工{牛)]，ecole Nationale Superieure df Arts et Metiers-CER, Paris.在刊物中公幵的文献S. Assouline，Ε. Beauchesne，G. Coffignal，P. Lorong and A. Marty, 2002， “ Simulation numerique de 1' usinage al' echelle macroscopique :modeles dynamiques de la piece “ [Numerical simulation of machining at macroscopic scale :dynamic models of the workpiece (宏观尺度加工的数值模拟工件的动态模 M)] ,Mecanique et Industrie，Vol. 3，pp. 389-402.P. Lorong, J. Yvonnet, G. Coffignal and S. Cohen，2006， 〃 Contribution of Computational Mechanics in Numerical Simulation of Machining and Blanking(计 算力学在加工和打孔的数值模拟方面的贡献)〃，Archives of Computational Method in Engineering，Vol. 13，pp. 45-90.目前优选的算法用于被命名为Nessy的软件。在如下文献中更详细地描述了 Nessy P. Lorong, F. Ali and G.Coffignal，2000， “ Research oriented software development platform for structural mechanics :a solution for distributed computing(有关结构力学软件开发平台的研究分布式计算的解决方案)“，kcond International Conference on Engineering Computational Technology, Developments in engineering computational technology, ed. B. H. V. Topping Louvain，Belgium， pp. 93-100.G. Coffignal and P. Lorong,2003, “ Un Logiciel elements finis pour developper et capitaliser des travaux de recherche“ [Finite element software for developing and capitalizing research work(用于幵发禾口禾Ij用石if究工作的有限元软 件)]，6eme Colloque National en Calcul des Structures, Giens.本发明的方法尤其适用于例如涡轮喷气式发动机的涡轮或压缩机转子盘等大直 径工件的转动。这种工件易于在加工期间在切割力的作用下进行振动。预先确定在整个加工阶段工件与刀具之间的相对旋转速度的最佳调整函数，可以防止出现这种振动模式，从 而获得期望的表面状态。
权利要求
1.一种在调整工件与刀具之间的切割速度的同时确定所述工件的加工阶段的状况的 方法，所述方法的特征在于如下步骤暂时设定用于调整所述速度的函数的参数来模拟(10)所述加工阶段； 在所述加工阶段结束之后计算所述工件的对应表面状态进行推演； 重复地改变(19)所述调整函数的所述参数，每次模拟所述加工阶段以推演出对应表 面状态，直到所述表面状态到达可接受值；以及使应用于与可接受值的表面状态所对应的调整函数的所述切割速度(Q(t))改变，执 行所述加工阶段。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，模函数是如下类型 Ω (t) = ΩΝ+Δ Ω. Fco ⑴，其中，-1 <Fco (t) < l，Fco⑴是时间2 Π/ω的周期函数，ΩΝ是标称速度，Δ Ω是 所述标称速度的变化幅度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述周边函数是正弦波。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述加工处理是车削加工。
全文摘要
确定加工部件的条件以避免在加工时出现振动。根据本发明，通过如下步骤对加工阶段进行模拟(10)暂时设定用于调整切割速度的函数的参数，推演对应表面状态，用每次模拟的加工阶段重复地改变所述参数，直到表面状态到达可接受值，并且使应用于所述相应的调整函数的所述切割速度(Ω(t))改变以执行所述加工阶段。
文档编号G05B19/4069GK102138110SQ200980134002
公开日2011年7月27日 申请日期2009年7月24日 优先权日2008年7月25日
发明者亚历克西斯·佩雷斯-杜阿尔特, 杰拉德·康菲格诺, 飞利浦·罗荣 申请人:斯奈克玛