[发明专利]一种基于过阻尼效应铣削颤振稳定性预测方法

说明书

本发明提供一种基于过阻尼效应铣削颤振稳定性预测方法，该方法在进行工件铣削过程中，获取铣削刀具几何结构参数和铣削过程动态参数，确定一个刀齿旋转周期内工件铣削过程中犁削力产生的总能量，利用能量守恒定律，得到等价线性过程阻尼系数，将等价线性过程阻尼转变为x方向等价过程阻尼和y方向等价过程阻尼，将x方向等价过程阻尼系数和y方向等价过程阻尼系数输入铣削动力学方程得到基于过程阻尼效应的铣削动力学模型，采用ZOA法求解基于过程阻尼效应的铣削动力学模型，得到基于过程阻尼效应的颤振稳定性模型，从而得到极限稳定性切深与刀具转速之间的关系，并绘制基于过程阻尼效应的颤振稳定性叶瓣图。

技术领域

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种基于过阻尼效应铣削颤振稳定性预测方法。

背景技术

铣削加工广泛应用于航空航天模具等行业，再生颤振是提高生产效率的主要制约因素之一。高速加工理论的发展，通过选择主轴转速，使刀齿的切入频率与颤振频率同步来避免颤振的发生。在较高的材料去除率的高速铣削阶段，经典的颤振叶瓣图提供精确的稳定性预测。然而，在低速加工阶段，由于在主轴的一个旋转周期内存在大量完整的振动波长，导致叶瓣图太致密，使得经典的颤振理论往往不能精准的预测稳定性。另一方面，实验观察表明，当切削速度远低于加工系统的固有频率时，系统的稳定切削区域会显著增加。这种低速切削时稳定切削区的显著增加，可归结为刀具后刀面与不平工件表面间摩擦作用所导致的切削速度变化，即过程阻尼作用。

过程阻尼效应的研究主要集中在国外的专家学者文献中，国内在该领域的研究相对比较少。Altintas教授认为过程阻尼效应对颤振稳定性的研究将成为最具挑战性的研究课题；提到刀具磨损将引起过程阻尼系数增加，从而增加颤振稳定临界区域。Budak提到在低速加工中的过程阻尼效应以其复杂性成为研究重点和难点之一。该效应与切削用量、切削温度、刀具材料特性、剪切面变动等因素密切相关；切削难加工材料将产生热量高，易导致刀具磨损，将改变切削刃的几何形状与后刀面接触的已加工工件波纹表面，从而增加了过程阻尼效应。

发明内容

一种基于过阻尼效应铣削颤振稳定性预测方法，包括以下步骤：

步骤1：在进行工件铣削过程中，获取铣削刀具几何结构参数和铣削过程动态参数；

所述铣削刀具几何结构参数包括：刀具刀齿数N_f、刀具后角λ和刀具直径D；

所述铣削过程动态参数包括：刀具颤振角频率ω_c、刀具振幅A₀和刀具角速度Ω。

步骤2：根据铣削刀具几何结构参数和铣削过程动态参数确定一个刀齿旋转周期内工件铣削过程中犁削力产生的总能量，利用能量守恒定律，将该犁削力产生的总能量等价于一个周期内等价线性过程阻尼力产生的能量，得到等价线性过程阻尼系数；

步骤2.1：根据铣削刀具几何结构参数和铣削过程动态参数确定刀具的切向位移和刀具的径向位移；

步骤2.2：将刀具的轴向切深a均分为N_z个微元，确定刀具刀齿的切向犁削微元力和刀齿的径向犁削微元力；

步骤2.3：确定犁削力在一个振动周期内产生的能量e_i，即刀具刀齿在一个振动波长刀齿径向犁削微元力和切向犁削微元力所做功之和；

步骤2.4：根据刀具颤振角频率ω_c和刀具角速度Ω确定刀具刀齿旋转一周留在工件表面的振动波纹个数；

步骤2.5：确定犁削力的总能量，即犁削力在刀具刀齿旋转一周做的功；

步骤2.6：利用能量守恒定律，将犁削力的总能量等价于一个周期内采用线性粘性阻尼的过程阻尼力产生的能量，得到等价线性过程阻尼系数。