[发明专利]一种基于进给系统结合面的车床刀尖频响函数的预测方法

说明书

技术领域：

发明涉及机床动态特性测试领域，具体涉及一种基于进给系统结合面的车床刀尖频响函数的预测方法。

背景技术：

高进给作为高效切削加工的重要手段之一，在以大螺距(>4mm)螺纹、螺杆为代表的大型装备关键零部件的加工中应用广泛。在企业生产中采用小螺距工艺，其切削速度与高进给速度匹配不合理，切削力大增，且由于工件轴向长度大刚性差，刀具在加工过程中振动剧烈，无法保证大螺距螺纹面的高品质加工。

对机床切削系统稳定性的衡量是以刀尖点的频响函数为重要指标，通过刀尖频响函数求取切削过程的稳定性叶瓣图，得到适合的切削参数，保证切削过程的稳定，更好的实现高品质的加工过程。目前，现有的刀尖频响函数建立都是以刀具系统自身构件为研究对象，没有考虑与刀具系统连接的机床进给系统的构件对刀尖频响函数的影响。

发明内容：

本发明提供了一种基于进给系统结合面的车床刀尖频响函数的预测方法，其是基于机床进给系统结合面影响所建立的刀尖频响函数，更加精准，据此建立的切削稳定域更可靠，同时为进一步研究车削过程动态特性以及刀具的振动磨损奠定了基础。

本发明的基于进给系统结合面的车床刀尖频响函数的预测方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于：包括以下步骤：

步骤一、采用响应耦合法将整个车床加工系统进行子结构划分，刀架以外部分的刀具作为子结构Ⅰ，刀架及刀夹内的刀体和工作台作为子结构II，丝母及处于丝母内的部分丝杠作为子结构Ⅲ，丝杠轴承端到丝母端之间的丝杠作为子结构Ⅳ；

步骤二、将处于丝母内部的丝杠与丝母之间的结合面和工作台与导轨之间的结合面看成是一类面面接触的矩形结合面，即等效为矩形结合面，建立矩形结合面模型，得到矩形结合面的刚度矩阵[K]和阻尼矩阵[C]；

步骤三、建立结合部模型，将得到的刚度矩阵[K]和阻尼矩阵[C]带入结合部模型内得到结合部处的位移响应H_i；

步骤四、通过锤击法和Timoshenko梁模型求取各子结构端的频响函数；

步骤五、将子结构Ⅰ、子结构II、子结构Ⅲ和子结构Ⅳ的端部频响函数与结合部处的振动响应耦合，得到车床刀尖点的频响函数。

作为本发明的进一步改进，步骤二中的刚度矩阵[K]和阻尼矩阵[C]的确定步骤如下：

(1)、建立矩形结合面动力学模型，结合面间结点的位移与速度分别用列阵和列阵δ表示，取列阵和列阵δ的局部坐标分别为α、β；

(2)将结点的局部座标及位移与速度分量代入，得到用结点位移与速度表示的位移模式和速度模式；

(3)结点力列阵为：

其中u_i、v_i、ω_i表示位移,

再根据虚位移原理，设结合点的虚位移为λ，外力在虚位移上所作的功与内力虚位移上所作的功相等，可以得到结合面元的刚度矩阵[K]和阻尼矩阵[C]。

作为本发明的进一步改进，因为步骤三中所述的结合部是一个虚拟的模型，所以没有质量，其振动表达式可以表示为：

(K+iωC)x＝F

由于静态力或动态力作用在结合部时，构成结合面的两个构件将会发生相对位移，包括结合面的微观凸起的变形和微小相对滑移，所以结合点处的位移可以表示为：

结合点处的位移还可以表示为法向位移和切向位移l_n、l_τ，于是可以表示为：

其中F、M、S分别为x、y、z方向上的力、力矩、结合面的面积，

将得到的刚度矩阵[K]和阻尼矩阵[C]带入结合部模型中，即可得到结合部处的位移响应H_i。

作为本发明的进一步改进，步骤四中，子结构Ⅰ、子结构II、子结构Ⅲ、子结构Ⅳ的端部频响函数通过力锤锤击实验测量得到，具体为：

将子结构Ⅰ、II、Ⅲ、Ⅳ依次组成装配体，在车床进给系统中丝杠左端进行锤击实验，得到各个子结构端的的频响函数矩阵R_ii、R_jj、R_ij，通过锤击实验得到丝杠-丝母、工作台-导轨结合面振动频响函数矩阵R′_ij，所述的个子结构端频响函数矩阵R_ii、R_jj、R_ij和R′_ij分别为；