[发明专利]薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法

说明书

技术领域

本发明属于薄壁曲面铣削加工技术领域，涉及一种薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法。

背景技术

薄壁曲面零件广泛应用于航空航天领域，鉴于结构复杂、尺寸大、横截面积小、材料去除量大，加工过程中工艺系统模态具有时变性，易诱发复杂的加工振动。同时，鉴于薄壁曲面零件自身刚度低，铣削加工中时变铣削力容易引起切削颤振现象，成为引发加工不稳定的重要原因。加工工艺参数是影响复杂曲面铣削力的关键因素，工艺参数选取不当将引发严重的切削振动，影响薄壁曲面加工质量，难以满足薄壁曲面零件高质高效加工需求。因此，合理选择薄壁曲面零件加工工艺参数，在保证切削稳定性的前提下提高加工效率至关重要。

万敏等人专利公告号CN101653841的“铣削过程稳定域判定方法”，该专利基于刀具离散化思想，根据刀具单元铣削瞬态对应的延时量建立当前时间段与前一时间段的显式表达式，进而得到反映每一延时量和每一时间段影响的转换矩阵，最后求解转换矩阵特征值，以特征值的模小于1作为工艺系统渐近稳定的条件。该方法仅适用于忽略刚度变化的非薄壁件加工过程，难以实现对薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定。Janez等人的文献“On stability prediction for milling”，International Journal of Machine Tools&Manufacture，2005，45，769-781，该文章研究了不同径向切深条件下铣削稳定域的变化情况，基于霍夫分叉原理研究了刀具振动随径向切深和主轴转速的变化情况。该方法仅适用于非薄壁件加工中不同加工参数对加工振动的预测，未涉及薄壁曲面零件加工中振动及切削过程中由于工件刚度变化引起的稳定切深改变等。综上，已有研究主要针对非薄壁件开展加工稳定性研究，而对于加工过程中薄壁曲面零件刚度变化的工艺稳定性研究相对较少。若忽略薄壁曲面零件切削过程中刚度的变化而直接进行稳定切深判定，势必牺牲加工效率，因此亟需一种新的薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法。

发明内容

本发明针对薄壁曲面铣削极限轴向切深求解过程中忽略刚度变化而引起的加工效率损失问题，发明了一种基于薄壁曲面零件刚度变化的稳定铣削极限轴向切深判定方法。该方法基于薄壁件切削过程中的刚度变化规律，结合切削稳定域求解策略，以稳定轴向切深与实际轴向切深间的关系为切入点，在保证加工质量的同时，最大限度的提高加工效率，从而实现了对薄壁曲面零件稳定加工及加工效率最大化的双重保障。

本发明的技术方案是一种薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法，其特征在于，该判定方法首先根据薄壁曲面铣削加工工艺参数建立瞬时切削面积计算模型，并求解切削力系数；然后，对不同轴向切深条件下的薄壁曲面零件刚度进行求解，建立轴向切深与薄壁曲面零件刚度间的关联模型；并结合经典稳定域求解公式，获得稳定轴向切深与实际轴向切深间对应关系；最后求解虑及加工中薄壁件刚度变化的稳定铣削极限轴向切深；方法的具体步骤如下：

1)瞬时切削面积及切削力系数求解

瞬时切削面积的求解是获得切削力系数的前提，利用微分几何方法求得不同曲率半径薄壁件切削过程中对应的瞬时切削面积，在刀具坐标系x-o-y中，曲线1方程为：

其中，r为铣刀半径，Ω为铣刀旋转角速度，f为刀具进给速度，n为主轴转速，相邻两刀齿切削时间间隔为t＝15/n(s)，整理得：

相邻两切削刃切削过程中，刀具走过的距离为因此，曲线2的方程为：

整理得：

曲线3方程：

x²+(y+R+r)²＝(R+a_e)² (5)

其中，R为薄壁曲面零件曲率半径，a_e为径向切削深度，整理得：

通过式(4)和式(6)求得交点P₁(x₁,y₁)，联立式(2)和式(6)求得交点P₂(x₂,y₂)，P₀(x₀,y₀)为初始切点。此时，瞬时切削面积S表示为：

当给定加工工艺参数n、f、a_e，铣刀半径r及薄壁曲面零件曲率半径R，即可求出瞬时切削面积S。

令铣刀轴线的位置角为β，由几何关系得