[發明專利]一種介觀尺寸刀具刀尖直接頻響函數提取方法

有效

• 申請號: 201810455941.2
• 申請日: 2018-05-14
• 公開（公告）號: CN108620951B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 陳云;侯亮;卜祥建
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;李艾華

本發明提供一種介觀尺寸刀具刀尖直接頻響函數獲取方法，內容包括：將機床分為A、B和C三子結構；實驗獲取子結構A在刀柄末端點處的直接頻響函數矩陣；利用有限元諧波分析，提取B和C自由模態下的頻響函數矩陣；利用響應耦合法，依次耦合子結構A、B和C，建立主軸?刀柄?刀具全耦合系統下交叉頻響函數矩陣的數學模型；綜合全耦合系統下的交叉頻響數學模型和實驗結果，反分析識別刀具和刀柄連接處的剛度矩陣；再次利用響應耦合法，獲取介觀尺寸刀尖直接頻響函數矩陣。本發明不需要借助輔助柱體，通過交叉頻響函數矩陣反分析識別刀柄和刀具連接處剛度矩陣，進而獲取介觀尺寸刀具刀尖直接頻響函數矩陣。

技術領域

本發明涉及介觀尺寸刀具加工穩定性和機床動態特性技術領域，更具體地說，涉及一種介觀尺寸刀具刀尖直接頻響函數提取方法。

背景技術

隨著精密加工技術的不斷發展，微銑削、鉆削等精密加工應用也越來越廣泛，特別是航空航天精密制造領域。例如，航空燃油噴嘴結構復雜，組合零部件多，尺寸小且精度要求高，需要多種介觀尺寸刀具(微鉆刀、微銑刀等)加工。由于噴嘴多采用不銹鋼材料，加工難度大，介觀尺寸刀具容易斷裂、磨損，以及加工振動振幅過大，出現不穩定加工。優化加工參數是改進微銑、微鉆等精密加工的前提。而工藝參數優化需要對加床的動態特性有完整的了解，需要掌握刀尖頻響函數，通過穩定性預測選擇穩定加工參數，并規避不合適主軸轉速導致的加工系統共振，影響刀具和主軸壽命，以及工件表面質量。

目前主要有兩種響應耦合的方法可用于小尺寸刀具刀尖頻響函數的獲取。第一種是Schmitz等提出，其建立了刀具和刀柄的彈簧阻尼連接模型，通過逼近實驗測量和預測刀尖直接頻響函數確定連接處的彈簧阻尼參數。然而，Schmitz提出的刀尖直接頻響函數獲取方法，需要借助實驗測量的刀尖直接頻響函數。由于介觀尺寸(帶切削刃刀具部分直徑小于1mm)刀具強度低，不能采用力錘法直接獲取刀尖直接頻響函數。因此，該種方法不適用介觀尺寸刀具刀尖頻響函數獲取。另一種響應耦合法由Park等提出，其特點是借助與待測刀具材料、直徑相同的柱體提取耦合處的關鍵參數。盡管該方法適用于介觀尺寸刀具刀尖直接頻響函數的獲取，然需要借助與輔助柱體提取耦合處關鍵參數，需要頻繁換刀，因此較Schmitz的方法繁瑣。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種間接獲取介觀尺寸刀具刀尖直接頻響函數矩陣的方法，不需要借助與刀具材料和直徑相同的輔助柱體即可識別刀柄和刀具柔性連接處的剛度矩陣，進而獲取介觀尺寸刀具刀尖直接頻響函數矩陣。

一種介觀尺寸刀具刀尖直接頻響函數提取方法，包括：

將機床加工系統分為三個子結構A、B和C；其中，子結構A包括主軸和刀柄，子結構B包括刀具非切削刃部分，子結構C包括所有切削刃的刀具剩余部分；子結構A和B柔性連接，子結構B和C剛性連接；

通過力錘模態測試獲取子結構A在刀柄末端點處的直接頻響函數矩陣；

分別建立子結構B和C的有限元模型，利用諧響應分析獲取子結構B和C在自由模態下的直接和交叉頻響函數矩陣；

通過響應耦合法依次耦合子結構A、B和C，結合所述子結構A刀柄末端處的直接頻響函數矩陣以及子結構B和C在自由模態下的直接和交叉頻響函數矩陣，建立主軸-刀柄-刀具全耦合系統的交叉頻響函數矩陣的數學模型；

利用力錘模態測試獲取主軸-刀柄-刀具全耦合系統下的交叉頻響函數矩陣各分量，結合所述主軸-刀柄-刀具全耦合系統的交叉頻響函數矩陣的數學模型，反分析識別刀具和刀柄連接處的剛度矩陣；

根據所述剛度矩陣、子結構A刀柄末端處的直接頻響函數矩陣、子結構B和C在自由模態下的直接和交叉頻響函數矩陣、及刀尖直接頻響函數矩陣數學模型，獲取介觀尺寸刀尖直接頻響函數矩陣。

優選的，所述主軸-刀柄-刀具全耦合系統的交叉頻響函數矩陣的數學模型，具體如下：