[發明專利]一種超聲振動輔助加工中刀具穩定性控制方法

有效

• 申請號: 201910171258.0
• 申請日: 2019-03-07
• 公開（公告）號: CN109894923B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 丁撼;陳雪林;唐進元
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 伍傳松

1.一種超聲振動輔助加工中刀具穩定性控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、獲取超聲振動輔助加工的切削力系數，通過加工測試，獲得不同條件下的切削力系數k_t(A，ω₁，h)，h為切削深度，A和ω₁分別為超聲振動的幅值及頻率；

S2、獲得切削加工穩定區域：通過切削力系數k_t(A，ω₁，h)以及超聲振動輔助加工動力方程進行計算分析獲得切削加工穩定區域；

S3、根據切削加工穩定區域調整加工參數以使得切削加工處于穩定狀態；

其中所述切削加工穩定區域的計算過程如下：

通過刀具的模態實驗，獲得刀具的模態參數，并通過超聲振動輔助加工動力方程計算得到刀具的位移x(t)，將x(t)進行拉普拉斯變換獲得X(s)；

將實際切削深度h(t)進行拉普拉斯變換獲得拉普拉斯形式的切削深度h(s)；

將切削力F_f(t)進行拉普拉斯變換獲得F_f(s)，獲得結構傳遞函數φ(s)，并得到閉環傳遞函數的特征方程的根；

獲得特征方程的根處于臨界穩定狀態時的解，并求得臨界切削深度a_lim，重復上述步驟，獲得不同切削速度下的a_lim，獲得切削加工穩定區域；

所述超聲振動輔助加工動力方程為：

x(t)為刀具的位移，ξ為阻尼系數，ω_n為固有頻率，b為切削寬度，k_f為刀具模態剛度。

2.根據權利要求1所述的超聲振動輔助加工中刀具穩定性控制方法，其特征在于，所述φ(s)按照如下計算過程獲得：

切削力F_f(t)經過拉普拉斯變換后獲得

F_f(s)＝k_t(A，w₁，h)h(s)b；

而h(s)為h(t)經過拉普拉斯變換之后獲得，表達式為

h(s)＝h₀-x(s)+e^-sT·x(s)，T＝1/n；

h₀為設計的切削深度，T為切削加工中周期，n為刀具的設定轉速；s為拉普拉斯因子，為-lnx；

φ(s)由X(s)除以F_f(s)得到如下表達式，

3.根據權利要求2所述的超聲振動輔助加工中刀具穩定性控制方法，其特征在于，所述臨界切削深度a_lim計算過程如下：

由結構傳遞函數φ(s)獲得特征方程為：

1-[e^-sT-1]·Φ(s)·k_t(A，w₁，h)·b＝0；

求得其根為s＝σ+jw_c；

σ為s的實部，jω_c為s的虛部，j²＝-1；

當根值的實部為0時，系統是臨界穩定的，故

在臨界穩定狀態時，

s＝jω_c

a_lim為臨界切削深度；

特征方程的實部為0，將傳遞函數Φ(jw_c)分為實部G(w_c)和虛部H(w_c)j，即Φ(jw_c)＝G(w_c)+H(w_c)j，可得：

1-k_t(A，w₁，h)·a_lim[G(w_c)(1-cosw_cT)-H(w_c)sinw_cT]＝0

最終得到

其中依據頻域法求解加工穩定性的方法，將帶入上式可獲得臨界切削深度：

4.根據權利要求1所述的超聲振動輔助加工中刀具穩定性控制方法，其特征在于，所述步驟S3中調整方法如下：

S31、當切削深度h1超過臨界切削深度a_lim后，可以通過改變切削速度(轉速)，使得轉速在臨界切削深度在極大值處，從而使得切削深度低于調整轉速后的臨界切削深度，避免刀具失穩，提高加工穩定性；

S32、若調整轉速不能滿足切削深度低于臨界切削深度的要求，則改變切削加工中超聲振動輔助加工的幅值，以擴大切削加工的穩定區域，使切削深度在穩定區域內，若切削深度依然超過臨界切削深度，則繼續按照S31進行調整；

S33、若S32按照步驟S31進行調整后仍然不符合要求，則調整超聲振動的頻率以擴大切削加工的穩定區域，使使切削深度在穩定區域內；

S34、若按照步驟S33依然不能使得切削深度在穩定區域內，則將一維超聲振動調整為二維超聲振動，降低切削力系數，擴大穩定區域使得切削深度在穩定區域內。