[发明专利]一种直角切削颤振解析建模方法

说明书

本发明涉及一种直角切削颤振解析建模方法，包括以下步骤：步骤1，建立直角切削颤振的动力学模型；步骤2，计算动态切削力和切削力系数；步骤3，计算直角切削过程的稳定性SLD图，本发明将动态切削过程看作是在每一时刻的准静态切削过程，将工件材料特性、刀具几何、切削参数作为输入参数，其中动态切削力可通过等效变换的切削参数计算，进而理论推导出动态切削力系数的表达式，通过代数方程整理，得出动态切削力系数，避免了实验标定的繁琐性，并提高了准确度，另外，机床系统切削颤振的动态模型可以用时滞微分方程表达，通过进行切削稳定性分析，由时域半离散法获得直角切削颤振稳定性SLD图，提供一个比较真实的颤振稳定性预测。

技术领域

本发明涉及金属材料切削加工技术领域，尤其涉及一种直角切削颤振解析建模方法。

背景技术

切削颤振是由于切削力的变化以及加工系统的柔性而产生的切屑再生现象，属于自激振动的一种形式。当不加以控制时，其会对加工工件表面质量，材料去除率，表面尺寸精度，以及刀具与机床的寿命产生破坏性影响。因此，建立有效的颤振模型是预测与避免切削颤振发生的有效措施。

迄今为止，已经形成了很多加工颤振模型，其采用的方法主要有三种：解析法、数值法及实验法，其中切削力系数通常是通过实验方法确定的常数。很明显，对于给定范围的切削参数，获得可靠的实验数据是非常耗时的。此外，切削力系数在实际切削过程中是变化的，经验常数的假设将产生不准确的结果。除此之外，这些模型在缺乏切削参数(工件材料特性、刀具几何)对切削颤振影响的直观描述，且仍依赖于经验或实验的方法。

针对现有技术方案提出的建模方法的技术问题，本发明提出了一种直角切削颤振的解析建模方法，该方法从金属切削的机理入手，将工件材料特性、刀具几何及切削参数作为输入参数，通过对切削参数的等效变换将动态切削过程看作是在每一时刻的准静态切削过程，动态切削力系数可通过等效变换来解析标定，避免了实验标定的繁琐性。

发明内容

针对上述现有技术的现状，本发明所要解决的技术问题在于提供一种直角切削颤振解析建模方法，该方法可以克服切削力系数由实验标定的准确度太低太繁琐的问题，避免了实验标定的繁琐性，提高了切削力系数的准确度，提供一个比较真实的切削颤振稳定性的预测。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种直角切削颤振解析建模方法，包括以下步骤：

步骤1，建立直角切削颤振的动态模型

确定刀具几何参数：前角α，单位为deg，后角γ，单位为deg；选定切削参数，切削速度V，单位为m/min，进给量f_t，单位为mm/r、切削宽度b，单位为mm；在金属切削过程中，切削厚度的变化会导致切削力的波动，切削力和切削厚度是按照特定的周期发生变化的，并形成一个闭环反馈系统，通过公式(1)计算出动态切削厚度h(t)；

h(t)＝h₀-[y(t)-y(t-T)] (1)

其中，h₀为名义切削厚度，单位为mm，数值上等于刀具的进给量f_t；y(t) 和y(t-T)分别表示y方向的当前和前一周期的振动幅值，单位为mm，也称为内调制和外调制，[y(t)-y(t-T)]表示在t时刻由于刀具振动产生的切削厚度差， T为当前时刻与前一时刻的延迟，即主轴旋转周期；

在工件被认为是刚性的而刀具是柔性的情况下，机床系统切削颤振的动态模型为在进给方向的单自由度系统，进给方向即y方向，该系统的振动方程由公式(2)表示；

其中，m表示系统的等效质量，单位为kg，c表示系统的阻尼，单位为 Ns/m，k表示系统的等效刚度，单位为N/m，F_y(t)为在进给方向由动态切削厚度h(t)引起的动态切削力；