[發明專利]一種基于穩定性分析的立銑刀結構參數優化方法

有效

• 申請號: 201410848651.6
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104476327A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 張小儉;滕樹新;張家軍
• 申請（專利權）人: 無錫透平葉片有限公司
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09;B23C5/00
• 代理公司: 無錫盛陽專利商標事務所(普通合伙) 32227
• 代理人: 陶純佳

技術領域

本發明涉及數控加工工藝研究領域，尤其是涉及銑削刀具結構參數的優化領域，具體為一種基于穩定性分析的立銑刀結構參數優化方法。

背景技術

隨著航空航天等高端領域對關鍵零部件制造性能需求的日益提升，具有優異服役性能的高溫合金、鈦合金等難加工材料應用越發廣泛，為了提升難加工材料的切削效率和制造精度，變齒距銑刀的應用逐漸普及。尤其是難加工材料由于刀具耗損大，切削速度嚴重受限，難以實現高速加工。為了提高在較小線速度約束的加工效率，本發明提出一種基于穩定性約束的變齒距銑刀結構參數優化方法。通過該方法可大幅提升有限轉速下的材料去除率，且同時保證加工過程穩定，這對于大余量零件毛坯材料的去除具有降本增效的巨大作用。

基于現有的刀具進行參數優化的工作非常之多，但是對刀具本身結構進行設計優化的工作卻比較少，比較有代表性的有黃志剛，柯映林，董輝躍，“基于正交切削模擬的直齒圓柱銑刀前角優化”，《浙江大學學報：工學版》，2005，第6期，780-784頁；程耀楠，“三維復雜槽型銑刀片槽型優化原理與優化技術的研究”，博士學位論文，2008等，這些工作基于有限元分析研究刀具的部分結構參數變化對切削刃磨損、切削熱、切削應力等因素的影響，選擇較為合適的結構參數。

由于高速加工技術和高速加工機床廣泛地獲得應用，對立銑刀的切削力、切削振動的工作越發重視。對銑刀切削力建模、振動分析的工作有代表性的有Altintas?Y,?Engin?S.?Generalized?modeling?of?mechanics?and?dynamics?of?milling?cutters.?CIRP?Annals?-?Manufacturing?Technology.?2001;50(1):25-30.Altintas?Y,?Budak?E.?Analytical?Prediction?of?Stability?Lobes?in?Milling.?CIRP?Annals-Manufacturing?Technology.?1995;44(1):357-62.但是對于銑刀結構參數的優化工作還很少，Altintas等人通過頻域法給出了一種立銑刀刀齒角優化，budak基于改變相位抑制振動角度提出了一種銑刀齒距優化計算是方法，但是以上方法都無法考慮螺旋角的變化。

發明內容

針對上述問題，本發明提供了一種基于穩定性分析的立銑刀結構參數優化方法，針對商用的等距銑刀加工高溫合金以及鈦合金等難切削材料效率不高的問題，提供一種基于穩定性約束的變齒距分布的銑刀結構參數優化方法，能夠針對不同工況要求下的加工參數提供一種切削速度受限下加工效率最高的不齒距銑刀結構參數，實現當前工況要求下最穩定的高效加工。

一種基于穩定性分析的立銑刀結構參數優化方法，其特征在于：其以指定轉速下的銑刀切削過程穩定性為約束條件，采用非線性優化算法和穩定性判別算法相結構的方法對銑刀的齒間角和螺旋角進行優化計算，其具體包括以下步驟，

（1）基于切削力實驗測試結果，獲取切削力信號，通過切削力參數辨識獲取實際等距銑刀的切削力系數；

（2）通過模態實驗，分別獲取刀具和工件的頻響函數，利用頻響計算獲取切削工藝系統的模態參數；

（3）計算等距銑刀的切削參數穩定域；

（4）建立目標函數，根據實際情況選擇低速下所述等距銑刀的切削參數穩定域中材料去除率高而又不穩定的點為目標參數點，基于切削動力學方程，以所述目標參數點的極大特征值最小化為優化目標，優化計算齒距和螺旋角在給定范圍內的最優刀具結構參數分布。

其進一步特征在于：

采用全離散方法或變步長數值積分法方法計算所述等距銑刀的切削參數穩定域；

所述目標函數中輸入的參數包括銑刀齒數和直徑、銑刀齒距分面范圍、螺旋角分布范圍；

所述步驟（4）中優化計算齒距和螺旋角在給定范圍內的最優刀具結構參數分布的流程為：首先設定初始參數和優化范圍，然后采用所述非線性優化算法進行優化計算，再進行穩定性計算，根據所述穩定性計算的返回結果計算目標函數進行評價，根據所述評價結果判定是否繼續進行優化或者優化結束。