[發明專利]基于球頭銑刀與工件接觸區域的顫振穩定域葉瓣圖建模方法

有效

• 申請號: 201710172976.0
• 申請日: 2017-03-22
• 公開（公告）號: CN106934170B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 李宏坤;代月幫;魏兆成
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;趙連明

基于球頭銑刀與工件接觸區域的顫振穩定域葉瓣圖建模方法，以銑削系統二階動力學方程的全離散時域求解法為主線，在球頭銑刀單齒切削周期內是圓弧切削和時滯周期等于單齒切削周期的基礎上，通過球頭銑刀與工件的接觸區域投影邊界方程和切削刃不同時刻的投影方程，提取出在一個時滯周期內不同時刻參與切削的刀刃數目和參與切削刀刃的實際切削部位，構建出球頭銑刀切削過程中顫振穩定域葉瓣圖。本發明并不局限于三軸機床上平面加工，獲得球頭銑刀獲得球頭銑刀與工件的在某個刀位點接觸區域，運用該方法就能構建出該刀位點的葉瓣圖。

技術領域

本發明屬于先進制造技術領域，涉及到銑削切削過程中顫振穩定域建模方法，尤其是在數控機床上球頭銑刀切削過程中顫振穩定域葉瓣圖建模方法。

背景技術

作為國家經濟增長支柱的制造業是一個傳統的領域，它已經發展了上百年，建立了比較系統的理論體系，積累了豐富的實踐經驗，但隨著科學技術水平的提高，機械制造業面臨著新的挑戰，迫使機械制造技術向著高速、高效和高精度方向發展。

高速銑削加工是先進制造技術中最重要的基礎技術之一，是目前最重要、應用最普遍的加工方式，然而在高速銑削過程中不合適的切削參數導致的切削顫振嚴重地影響到了加工效率、精度、質量以及穩定性，是制約高速銑削技術快速發展的關鍵因素。

國內外學者對切削顫振進行了大量探索，研究了多種顫振形成的機理，其中再生型顫振是人們認為產生切削過程中產生顫振最直接、最根本的原因。如圖1所示，再生型顫振理論指出，由于機床結構振動，當刀具進行切削時，工件的已加工表面會留下表面振紋，當刀具再一次切削到這些遺留有振紋的工件表面時，瞬時切削厚度由名義切削厚度和動態切削厚度疊加組成，這種切削厚度的變化引起切削力的波動，反過來又引起切削刀具和工件之間的相對振動，使刀具和工件在切削過程中產生振動位移，從而再次在工件已加工表面留下振紋，根據前后兩次振紋之間的相位差，在靠近但不等于加工系統主結構模態的顫振頻率處，隨著加工系統的切削厚度不斷增長，造成切削力和振動位移的不斷上升現象，切削力向振動系統輸入能量，這種情況越來越強，就會形成強烈的自激振動，這種自激振動就是再生顫振，圖2為再生顫振機理模型。

目前，避免切削顫振最有效辦法是在加工前構建銑削顫振穩定域葉瓣圖，即在給定切削條件下，繪制出軸向臨界切削深度隨主軸轉速變化的函數關系。葉瓣圖的構建能夠為加工前切削參數的選擇提供指導，可以有效防止加工中顫振的發生。

球頭銑刀是典型的點接觸加工刀具，具有很好的法矢自適應性，是高速銑削加工中應用最廣的刀具之一，因此構造出針對球頭銑刀加工過程中的穩定性葉瓣圖意義重大。然而目前顫振穩定域葉瓣圖建模方法如ZOA法和在它基礎上發展起來的時域法主要是針對圓柱形銑刀，球頭形的銑刀的方法很少，同時傳統方法在建模過程中無法精準確定瞬時參與切削的刀齒數目和參與切削刀齒的實際切削部位，而只能以三軸數控機床平面加工的工件為對象進行葉瓣圖構建，同時在建模過程中將銑刀切削刃的螺旋角視為零度來進行簡化，這些都嚴重影響了葉瓣圖的適用范圍，降低了葉瓣圖精準度。因此如何針對球頭銑刀提出一種適用范圍廣，精準度高的顫振穩定域葉瓣圖方法將是一個亟待解決的問題。

球頭銑刀和工件的接觸區域是指在加工過程中刀具切入工件的區域。高速銑削條件下，在單齒切削周期內，球頭銑刀可以認為是圓弧切削，因此銑刀-工件接觸區域蘊含著在該單齒切削周期內銑刀瞬時參與切削的刀刃數目和參與切削刀刃的實際切削部位等眾多信息。

由于與球頭銑刀軸線垂直的平面和銑刀球頭坐標值存在一一映射關系，因此將刀具與工件的接觸區域和刀齒的切削刃投影到該平面，獲取單齒切削周期不同時刻的刀刃投影與接觸區域投影邊界的相交情況，就能夠得到構建葉瓣圖時所需要的球頭銑刀瞬時參與切削的刀刃數目和參與切削刀刃的實際切削部位等信息。

發明內容