[发明专利]基于铣刀螺旋角和弯曲效应的铣削优化方法及优化系统

摘要

本发明公开了一种基于铣刀螺旋角和弯曲效应的铣削优化方法及铣削优化系统，该方法对铣刀进行锤击模态实验，得到其模态质量，模态刚度以及模态阻尼等模态参数；通过对预定的工件材料进行铣削力系数辨识实验，得到铣削力系数；建立微元模型，确定螺旋铣刀的动态切削厚度；分析刀具弯曲变形，在考虑铣刀弯曲的作用下确定铣削的动态切削厚度，由此建立铣削过程动力学模型；求解该模型得到铣削过程稳定性叶瓣图。本发明考虑了铣削过程中存在的铣刀的螺旋角和刀具弯曲影响，更加符合实际的铣削过程。

主权项

1.一种基于铣刀螺旋角和弯曲效应的铣削优化方法，所述方法包括以下步骤：第一步骤(S1)中：首先建立坐标系，以铣刀顶部中心为原点，以进给方向为OX轴，沿铣刀自上而下为OZ轴，对铣刀进行锤击模态测试以得到模态质量、模态刚度和模态阻尼；其中，质量矩阵m_x，m_y分别为X和Y方向的模态质量；刚度矩阵k_x，k_y分别为X和Y方向的模态刚度；阻尼矩阵c_x，c_y分别为X和Y方向的模态阻尼；第二步骤(S2)中：对预定的工件材料进行铣削力系数测试以得到铣削力系数，其中，铣刀直线铣削以测试不同进给速度下的铣削力，对铣削力和进给速度进行拟合得到切向切削力系数K_tc和径向切削力系数K_rc；第三步骤(S3)中：建立微元模型以确定螺旋角模型下的瞬时动态切削厚度，其中，主轴转速为Ω、螺旋角β，将铣刀沿着铣刀轴向划分为(N_a+1)个圆盘，铣刀直径为D，轴向切深a被离散为a＝Δa·N_a+a_res，中，Δa为每层离散铣刀的厚度，floor表示向下取整，a_res为自下而上最上面一层的离散铣刀厚度；其中，假设刀齿铣削周期T被离散为m份，即T＝mΔt，则其中，N为铣刀齿数，铣刀螺旋角的瞬时动态切削厚度表达式为其中，x(t)和y(t)为铣刀当前时刻t的x和y方向的振动位移，x(t‑T)和y(t‑T)为t‑T时刻的x和y方向的振动位移，刀齿位置的表达式为：φ_i，j(t)＝(2πΩ/60)t+(j‑1)·2π/N‑(i‑1)·(2Δatanβ/D)；其中，i表示铣刀轴向离散的第i层，j表示铣刀的第j个刀齿；第四步骤(S4)中：通过微元模型在螺旋铣刀瞬时切削厚度的基础上确定铣刀弯曲模型下的瞬时动态切削厚度，在轴向切深为a的刀尖上施加载荷为F的均布力，单位长度上的力大小Q＝F/a，对于悬长为L，直径为D，弹性模量为E的铣刀，则它的惯性矩I可以表示为在施加载荷的L‑a≤z≤L处，产生弯矩M，则弯曲角度θ(z)为：铣刀弯曲时的瞬时动态切削厚度表达式为：其中，θ(z)为坐标z处的弯曲角度，其中，z＝L‑i*Δa，其表示铣刀某一点在OZ轴方向的坐标；第五步骤(S5)中：建立铣削过程动力学方程，其中，建立两自由度铣削动力学模型其中，动态铣削力矩阵F_x，F_y分别为X和Y方向的铣削力，q(t)＝[x(t) y(t)]^T为当前时刻的铣刀振动位移，q(t‑T)＝[x(t‑T) y(t‑T)]^T为(t‑T)时刻的铣刀振动位移，则有：其中，F_tc，i，j和F_rc，i，j是铣刀第i层第j个刀齿的切向和法向的动态铣削力，tc和rc分别表示切向和法向；函数g(φ_i，j(t))定义为其中φ_st为铣刀刀齿切入角度，φ_ex为铣刀刀齿切出角度；建立的铣削动力学方程为其中，为第六步骤(S6)中：分析求解步骤S5中得到的铣削动力学方程，获得稳定性叶瓣图。