[發明專利]一種直角切削顫振解析建模方法

有效

• 申請號: 201710347579.2
• 申請日: 2017-05-17
• 公開（公告）號: CN107150260B
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發明（設計）人: 付中濤;陳緒兵;戴耀南;毛金城
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: B23Q17/12
• 分類號: B23Q17/12;G05B19/408
• 代理公司: 寧波市鄞州甬致專利代理事務所(普通合伙) 33228
• 代理人: 李迎春

本發明涉及一種直角切削顫振解析建模方法，包括以下步驟：步驟1，建立直角切削顫振的動力學模型；步驟2，計算動態切削力和切削力系數；步驟3，計算直角切削過程的穩定性SLD圖，本發明將動態切削過程看作是在每一時刻的準靜態切削過程，將工件材料特性、刀具幾何、切削參數作為輸入參數，其中動態切削力可通過等效變換的切削參數計算，進而理論推導出動態切削力系數的表達式，通過代數方程整理，得出動態切削力系數，避免了實驗標定的繁瑣性，并提高了準確度，另外，機床系統切削顫振的動態模型可以用時滯微分方程表達，通過進行切削穩定性分析，由時域半離散法獲得直角切削顫振穩定性SLD圖，提供一個比較真實的顫振穩定性預測。

技術領域

本發明涉及金屬材料切削加工技術領域，尤其涉及一種直角切削顫振解析建模方法。

背景技術

切削顫振是由于切削力的變化以及加工系統的柔性而產生的切屑再生現象，屬于自激振動的一種形式。當不加以控制時，其會對加工工件表面質量，材料去除率，表面尺寸精度，以及刀具與機床的壽命產生破壞性影響。因此，建立有效的顫振模型是預測與避免切削顫振發生的有效措施。

迄今為止，已經形成了很多加工顫振模型，其采用的方法主要有三種：解析法、數值法及實驗法，其中切削力系數通常是通過實驗方法確定的常數。很明顯，對于給定范圍的切削參數，獲得可靠的實驗數據是非常耗時的。此外，切削力系數在實際切削過程中是變化的，經驗常數的假設將產生不準確的結果。除此之外，這些模型在缺乏切削參數(工件材料特性、刀具幾何)對切削顫振影響的直觀描述，且仍依賴于經驗或實驗的方法。

針對現有技術方案提出的建模方法的技術問題，本發明提出了一種直角切削顫振的解析建模方法，該方法從金屬切削的機理入手，將工件材料特性、刀具幾何及切削參數作為輸入參數，通過對切削參數的等效變換將動態切削過程看作是在每一時刻的準靜態切削過程，動態切削力系數可通過等效變換來解析標定，避免了實驗標定的繁瑣性。

發明內容

針對上述現有技術的現狀，本發明所要解決的技術問題在于提供一種直角切削顫振解析建模方法，該方法可以克服切削力系數由實驗標定的準確度太低太繁瑣的問題，避免了實驗標定的繁瑣性，提高了切削力系數的準確度，提供一個比較真實的切削顫振穩定性的預測。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種直角切削顫振解析建模方法，包括以下步驟：

步驟1，建立直角切削顫振的動態模型

確定刀具幾何參數：前角α，單位為deg，后角γ，單位為deg；選定切削參數，切削速度V，單位為m/min，進給量f_t，單位為mm/r、切削寬度b，單位為mm；在金屬切削過程中，切削厚度的變化會導致切削力的波動，切削力和切削厚度是按照特定的周期發生變化的，并形成一個閉環反饋系統，通過公式(1)計算出動態切削厚度h(t)；

h(t)＝h₀-[y(t)-y(t-T)] (1)

其中，h₀為名義切削厚度，單位為mm，數值上等于刀具的進給量f_t；y(t) 和y(t-T)分別表示y方向的當前和前一周期的振動幅值，單位為mm，也稱為內調制和外調制，[y(t)-y(t-T)]表示在t時刻由于刀具振動產生的切削厚度差， T為當前時刻與前一時刻的延遲，即主軸旋轉周期；

在工件被認為是剛性的而刀具是柔性的情況下，機床系統切削顫振的動態模型為在進給方向的單自由度系統，進給方向即y方向，該系統的振動方程由公式(2)表示；

其中，m表示系統的等效質量，單位為kg，c表示系統的阻尼，單位為 Ns/m，k表示系統的等效剛度，單位為N/m，F_y(t)為在進給方向由動態切削厚度h(t)引起的動態切削力；