[發明專利]一種基于動力學模型的高速銑削工藝參數優化方法

有效

• 申請號: 201210371626.4
• 申請日: 2012-09-29
• 公開（公告）號: CN102873381A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 曹宏瑞;何正嘉;訾艷陽;陳雪峰;張周鎖;李兵
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23C1/00
• 分類號: B23C1/00;G06F17/50
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術領域：

本發明屬于機械加工領域，涉及一種銑削工藝參數優化方法，特別涉及一種基于動力學模型的高速銑削工藝參數優化方法。

背景技術

高速切削技術廣泛應用于航空航天領域，已經成為提高加工效率和加工質量、降低成本的重要途徑。目前，高速切削參數的合理選擇仍然是困擾企業的一個難題，多數企業仍憑借試切法來確定加工時的切削用量，往往無法得到最優切削參數組合，過于保守的切削用量限制了高速機床性能的發揮和生產效率的提高。如國內某軍工廠，盡管購置了國外先進的高速機床加工整體葉輪，但是他們選擇的切削用量過于保守，加工葉輪所需的時間仍然要比國外長很多。不僅如此，今天高速加工主要用在航空航天精密零件制造中，往往因試切參數選擇不合適導致高附加值零件報廢。因此，在高速機床裝備性能已確定的條件下，如何合理選擇切削參數，對于提高生產效率、減少零件報廢率等具有重要的意義。

國內外對銑削加工工藝參數優化的研究非常重視，多數研究都是從加工過程切削穩定性的角度出發，建立銑削動力學模型，計算顫振穩定曲線并優化工藝參數。土耳其的BUDAK等（Budak?E,Tekeli?A.Maximizing?chatter?free?material?removal?rate?in?milling?through?optimal?selection?of?axial?and?radial?depth?of?cut?pairs[J].CIRP?Annals-Manufacturing?Technology,2005,54(1):353-356.）基于顫振理論研究了銑削加工中軸向切深和徑向切深的選擇方法，從而達到最大材料去除率。加拿大的Merdol等（Merdol?SD,AltintasY.Virtual?Simulation?and?Optimization?of?Milling?Applications-Part?II:Optimization?and?Feedrate?Scheduling[J].Journal?of?Manufacturing?Science?and?Engineering-Transactions?of?the?ASME,2008,130(5):0510051-05100510）綜合考慮了切削過程中切削力、切屑厚度、主軸功率、工件尺寸誤差及加工穩定性等約束條件，提出了一個通用的切削參數優化策略。

申請號為200910046725.3的發明專利公開了一種刀具模態參數不確定的曲面五軸數控工藝參數優化方法，其特點在于將刀具系統模態參數的不確定性引入工藝參數規劃中，以此計算顫振穩定曲線，更能反映真實的加工工況。申請專利號為201110183747.1的發明專利公開了一種薄壁復雜曲面銑削加工時機床極限穩定工藝參數的確定方法，其特點在于利用實驗法獲得切削力和工件模態參數，計算不同階段機床極限穩定工藝參數。

從現有檢索文獻發現，現有研究多沒有考慮到高速銑削中的高速效應，即離心力和陀螺力矩效應。在建立銑削動力學模型時沒有計入高速主軸動態特性隨轉速的變化，往往利用靜態下測試的主軸-刀具系統的模態參數，計算顫振穩定曲線，并以此作為工藝參數優化的約束條件。因此并不能反映高速銑削的真實工況。

發明內容

本發明的目的在于為高速銑削加工提供一種準確可靠的基于動力學模型的高速銑削工藝參數優化方法；該方法考慮了高速旋轉狀態下主軸-刀具系統的離心力和陀螺力矩效應，更加接近實際工況，提高了穩定性預測的準確性，為高速銑削工藝參數優化提供了又一有效技術。

本發明是通過以下技術方案實現上述目的：

一種基于動力學模型的高速銑削工藝參數優化方法，該方法包括以下步驟：

1）輸入主軸-刀具系統的結構參數和初始切削條件，為高速主軸系統動力學建模和切削過程建模提供數據支持；

2）考慮離心力和陀螺力矩效應，建立主軸-刀具系統動力學模型，據此計算刀尖處的頻率響應函數；同時根據輸入的切削條件，利用試驗法確定切削力系數；

3）建立高速主軸-刀具動態特性與銑削交互過程模型，得到閉環動態銑削系統的特征方程；

4）利用奈奎斯特穩定性判據，求解閉環動態銑削系統的特征方程，計算高速銑削加工顫振穩定性葉瓣圖；

5）以高速銑削加工顫振穩定性葉瓣圖下界曲線為約束條件，以最大材料去除率為優化目標，選取機床主軸轉速和切削深度，實現高速銑削參數優化。