[發明專利]基于主軸系統非對稱剛度調控的銑削顫振控制方法

有效

• 申請號: 201910074811.9
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109759901B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 曹宏瑞;李登輝;陳雪峰;張興武
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23Q17/12
• 分類號: B23Q17/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

1.基于主軸系統非對稱剛度調控的銑削顫振控制方法，其特征在于，包括下述步驟：

1)以銑刀刀尖為坐標原點，以銑削進給方向為X軸，以垂直于進給方向和銑刀軸線方向為Y軸建立直角坐標系；利用力錘激勵實驗分別測量刀尖X、Y方向的頻響函數，并辨識模態質量、剛度和阻尼幾個參數；

2)利用指定的工件和刀具進行銑削實驗，通過測得的銑削力辨識出切向切削力系數K_t和徑向切削力系數K_r；

3)根據步驟1)中辨識得到的主軸系統模態參數和步驟2)中辨識的切削力系數，建立非對稱剛度主軸-銑削系統動力學模型；

4)根據步驟3)中建立的動力學模型，計算其特征方程，并針對順銑、逆銑兩種不同的銑削方式，利用奈奎斯特穩定性判據繪制非對稱剛度不同調節程度下的銑削穩定性葉瓣圖，分析銑削穩定性；

5)利用步驟4)中穩定性分析結果，根據不同的加工工況，順銑切削時，對主軸Y方向剛度選取合適的放大倍數；逆銑切削時，對主軸X方向剛度選取合適的放大倍數，實現主軸X、Y方向非對稱剛度調控，進而實現銑削穩定性提升和目標工況的顫振控制。

2.根據權利要求1所述的基于主軸系統非對稱剛度調控的銑削顫振控制方法，其特征在于，所述步驟3)中，建立非對稱剛度主軸-銑削系統動力學模型，具體過程如下：

根據步驟1)中辨識的主軸系統模態參數和步驟2)中辨識的切削力系數，建立非對稱主軸-銑削系統動力學方程如下：

式中，X(t)＝[x(t) y(t)]^T是刀尖在X、Y方向的振動位移向量；m_x、m_y、c_x、c_y、k_x和k_y分別是主軸X、Y方向的模態質量、阻尼和剛度；n_x和n_y分別為主軸系統X方向和Y方向剛度放大倍數，且n_x≠n_y，即通過n_x和n_y兩個常數的非等值賦值，實現主軸系統X、Y兩個方向剛度的非對稱調節；F(t)是動態銑削力，具體表達式如下：

式中，H是定向動態切削力系數矩陣，其具體表達式如式(4)，其中h_xx、h_xy、h_yx和h_yy在順銑、逆銑兩種不同的銑削方式下取值不同，具體表達式如式(5)；τ是時滯周期，等于銑削過程的刀齒通過周期，即τ＝60/NΩ，其中N為刀齒數量，Ω為主軸轉速，單位是r/min；

式中，K_rc＝K_r/K_t；φ是刀齒瞬時齒位角；φ_en和φ_ex分別是刀齒切入角和切出角，順銑時，φ_en＝arccos(2d/D-1)，φ_ex＝π；逆銑時φ_en＝0，φ_ex＝arccos(1-2d/D)，其中D為刀具直徑，d為徑向切削深度。

3.根據權利要求2所述的基于主軸系統非對稱剛度調控的銑削顫振控制方法，其特征在于，所述步驟4)中，根據步驟3)中的動力學方程，計算對應的特征方程，利用奈奎斯特定理分析順銑、逆銑兩種不同銑削方式下的銑削穩定性，具體過程如下：

將步驟3)中的式(3)、式(4)代入式(2)，并對方程兩邊同時進行拉式變換，得到：

令Ψ＝NaK_t(1-e^-iωτ)/4π，進而可知非對稱剛度主軸-銑削系統的特征方程為：

該特征方程是主軸X、Y方向剛度放大倍數n_x、n_y的函數，同時和順、逆銑切削方式有關；針對順銑和逆銑，分別不斷增大n_x和n_y，利用奈奎斯特穩定性判據判斷銑削過程的穩定性，繪制不同銑削方式、非對稱剛度不同調節程度下的銑削穩定性葉瓣圖。