[发明专利]基于加工振动的立铣刀关键几何参数设计方法

说明书

本发明提供的基于加工振动的立铣刀关键几何参数设计方法，包括：对加工系统进行模态试验，得到关键模态参数；对加工系统进行动力学建模，建立多时滞二阶微分动力学方程；建立并得到变换后的状态空间方程；利用GRK法判定加工系统的稳定性并获得加工参数空间中的稳定性图谱Lobe图；改变设计参数即铣刀齿间距和螺旋角的值以获得不同的Lobe图；以获得最大加工效率为目标，通过比较不同设计参数条件下的Lobe图，得到优化后的立铣刀齿间距和螺旋角。本发明与传统等齿距标准铣刀加工相比，采用GRK法得到加工系统的动力学特性，获得优化后的立铣刀关键几何设计参数即齿间距和螺旋角，极大地提高了加工效率。

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体地，涉及一种基于加工振动的立铣刀关键几何参数设计方法。

背景技术

在机械加工领域，铣削是最为常见和常用的加工方式之一。随着科技的进步，人们对于铣削加工质量的要求也越来越高，而加工振动是影响加工质量的关键因素之一。减少振动，尤其是消除剧烈的振动即颤振的影响，是保证加工质量的必然要求。颤振的成因包括再生效应、模态耦合、磨擦作用、力热耦合等，其中再生效应是引起铣削颤振的最主要原因。

再生效应的避免有许多方法，其中采用不等齿距铣刀破坏再生颤振的产生机制是行之有效的手段之一。现有的某些商业铣刀也采用了变齿距设计来提高加工稳定性，但是商业铣刀在设计前并不明确其具体的加工环境与加工对象，因此很难将不等齿距铣刀的避振性能发挥到最大。因此，站在用户的角度，根据具体的加工环境定制具有最佳避振性能的铣刀具有十分重要的意义和前景。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于加工振动的立铣刀关键几何参数设计方法，该方法利用GRK法(广义Runge-Kutta法，Generalized Runge-KuttaMethod)，依据具体加工环境与条件，考虑加工振动的影响，设计立铣刀关键几何参数(齿距及螺旋角)，在保证无再生颤振高质量加工的前提下，使加工参数(主轴转速、轴向切削深度)空间内的稳定切削区域最大化，进而获得最大的加工效率，产生良好的经济效益。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于加工振动的立铣刀关键几何参数设计方法，包括如下步骤：

步骤1：以材质、长度、直径相同的标准等距立铣刀作为替代刀具进行模态试验，获得刀具-机床加工系统的模态参数；

步骤2：对加工系统进行动力学建模，得到刀具-机床加工系统的动力学方程；

步骤3：对动力学方程进行状态空间变换，得到状态空间方程；

步骤4：应用GRK法对刀具-机床加工系统的状态空间方程进行稳定性分析，获得刀具-机床加工系统在加工参数空间的稳定性图谱，即Lobe图；

步骤5：改变替代刀具不同齿距参数和螺旋角参数，获得不同齿距参数和螺旋角参数条件下的刀具-机床加工系统Lobe图；

步骤6：以获得最大加工效率为目标，通过比较不同刀具参数条件下的Lobe图，得到优化后的立铣刀关键几何参数，即齿距和螺旋角。

优选地，所述步骤1，具体为：

步骤1.1，以具体加工环境为依托，在机床上装夹与所设计立铣刀材质、长度、直径参数相同的标准等距立铣刀，进行刀具-机床加工系统的模态试验；

步骤1.2，采用脉冲锤敲击实验，测得刀具-机床加工系统所需的模态参数，即：模态质量矩阵M，模态阻尼矩阵C，模态刚度矩阵K。

优选地，所述步骤2，具体为：

步骤2.1，在二自由度系统下，不考虑模态耦合作用，所述刀具-机床加工系统的动力学方程，如公式(1)所示：