專利名稱：：一種高速銑削穩定性快速判定方法
技術領域：
：本發明屬于制造
技術領域：
，特別涉及一種高速銑削穩定性的快速判定方法。
背景技術：
：目前高速加工主要靠提高主軸轉數、增大進給速度，以及改進CNC控制系統等方法來實現。然而在實際的切削加工過程中，影響其有效高速加工的一個主要因素就是顫振，或者稱不穩定切削。顫振是金屬切削過程中刀具與工件之間產生的一種非常強烈的自激振動，由切削力激發而引起并維持其振動不衰減。顫振不僅破壞工件的表面質量，而且還加劇刀具的磨損，嚴重時甚至使切削無法進行。在過去的幾十年里，國內外諸多學者為深入了解顫振并避免顫振的發生開展了一系列的理論分析和實驗研究。多年的研究成果表明避免顫振發生的一個有效方法就是借助于穩定性極限圖來選擇合適的切削參數。該圖利用主軸轉速與臨界軸向切深的變化曲線將切削區域劃分為穩定區和非穩定區。然而，無論是采用解析法還是時域模擬法來構造某一機床結構的切削穩定性極限圖，一般均需要先獲取反映在刀尖點的機床系統動力學特性，即頻率響應函數。在以往的理論研究和工程應用中，大都采用錘擊法來獲得機床系統反映在刀尖點的頻響特性。機床系統的頻響特性是與其子部件(刀具結構、刀具懸伸長度、刀柄結構、主軸結構等)和邊界條件密切相關的。當系統部件更換或位置調整后，反映在刀尖點的頻響特性也隨之改變，如需對此狀態下的穩定性切削進行參數選擇，則又得采用錘擊法重新獲取其頻響特性，構建新的切削穩定性極限圖。因此，光靠采用錘擊測試實驗手段來指導實際加工中的切削參數選擇，勢必要進行數百次甚至上千次的實驗才能建立較為完整的切削穩定性極限圖集，這樣既增加了成本，又大大延長了時間，違背了高速、高效加工的初衷。因此，快速獲取機床系統反映在刀尖點的動態特性，為實現穩定的高速高效加工能起到相當重要的指導作用。
發明內容本發明的目的在于提供一種無需進行多次實驗測試，就能對機床整機系統進行高速銑削時的穩定性進行快速判定的方法。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是1)將機床整機劃分為五大部分即刀齒、刀桿、刀柄、主軸和機床其它部件；2)稱量刀具即刀齒和刀桿的質量M，再測量出刀桿的直徑Cl1和長度I1，及刀齒的長度12，根據刀具材料的密度P和公式(1)計算出刀齒的等效直徑(12，將刀具等效為兩段直徑不同的梁單元，再采用Timoshenko梁單元模型求解出刀具的頻響函數特性；M=-I1-p+^-d22-I2-ρ(I)3)采用Timoshenko梁單元模型計算刀柄法蘭以下部分的頻響函數特性；4)將刀柄法蘭和錐套、主軸和機床其它部件作為一個整體，采用錘擊法測出該整Gaa=Raa-Rab(Rbb+Rcc)^1RbaGdd=Rdd-Rdc(Rbb+Rcc)^1RcdGad=Rab(RbJRcc)-1RcdGda=Rdc(RbJRcc)-1R1式中，R是耦合前各子結構的頻響函數矩陣，其中h，l，n，p是各分量；χ和θ分別是子結構的位移和轉角；f和m分別子結構受到的力和力矩；G是耦合后系統的頻響函數矩陣，其中H，L，N，P是各分量；X和Θ分別是耦合后系統的位移和轉角；F和M分別是耦合后系統受到的力和力矩；i，j，a,b，c,d均為坐標系。6)利用耦合得到的機床整機頻響函數特性，繪制出主軸轉數與軸向切深的穩定性極限圖，最后為切削進行穩定性判定。所述步驟2)的刀具質量M采用精密電子稱稱量得到。所述的步驟2)刀桿的直徑Cl1和長度I1,及刀齒的長度I2均采用游標卡尺測量得到。本發明將機床整機系統進行子部件的劃分，分別求取各子結構的頻響函數，然后通過子結構耦合方法得到整機的頻響特性，構建出切削穩定性極限圖，從而快速判斷出該工藝參數下的切削是否處于穩定狀態。如加工不同零件需要，其中某個子結構改變時，只需重新計算變動過的結構頻響函數(無需全部重新求解)，再次耦合即可得到新的結構穩定性極限圖，大大提高了判斷速度，適合于在線的切削參數優化。圖1是機床主軸切削系統的結構示意圖。圖2是本發明方法的流程圖。圖3是子結構耦合的力_位移關系。具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。參見圖1，本發明將機床整機劃分為刀齒、刀桿、刀柄、主軸和機床其它部件五大子結構，Rii=⑵體結構的頻響函數特性；5)將以上各部件的頻響函數特性依次通過子結構耦合法進行合并得到機床整機頻響函數特性，兩結構耦合前、后的頻響函數用矩陣形式表示如公式(2-3)所示，耦合關系如公式(4-7)\SrXi『iffiJXi/y/y具體求解過程如圖2所示；采用等質量原理將刀具(刀齒和刀桿)的刀齒等效為一均勻直徑的梁單元。具體方法如下先采用精密電子稱測量出刀具質量M，采用游標卡尺測出刀桿部分的直徑Cl1和長度I1，刀齒的長度12，根據刀具材料的密度P和公式(1)計算出刀齒的等效直徑d2。從而將刀具等效為兩段直徑不同的梁單元，采用Timoshenko梁單元模型求解出其(刀齒和刀桿)頻響函數特性；對刀柄進行結構上的簡單處理。當機床主軸選定時，其聯接刀柄的接口也就不再改變，因此無論選用何種刀柄結構，其接口處的錐套和法蘭結構是相同的，故可以將此兩結構劃歸至主軸部分，這樣可以使刀柄的結構得到簡化，從而采用Timoshenko梁單元模型計算其(刀柄)頻響函數特性；將刀柄法蘭和錐套、主軸、機床其它部件綜合為一個整體，采用錘擊法測出其(此整體)頻響函數特性；將以上各部件的頻響函數特性依次通過子結構耦合法進行合并，參見圖3，兩結構耦合前、后的頻響函數如公式(2-3)所示，耦合關系如公式(4-7)。Rij=Gaa=Raa-Rab(Rbb+Rcc)^1RbaGdd=Rdd-Rdc(Rbb+Rcc)^1RcdGad=Rab(Rbl^Rcc)-1RcdGrta=Rrtc(Rh^Rcc)-1R1式中，R是耦合前各子結構的頻響函數矩陣，其中h，l，n，p是各分量；χ和θ分別是子結構的位移和轉角；f和m分別子結構受到的力和力矩；G是耦合后系統的頻響函數矩陣，其中H，L，N，P是各分量；X和Θ分別是耦合后系統的位移和轉角；F和M分別是耦合后系統受到的力和力矩；i，j，a,b，c,d均為坐標系。利用耦合合并得到的機床整機頻響函數特性，繪制出主軸轉數與軸向切深的穩定性極限圖，最后為切削進行穩定性判定。當任一子結構變化時，只需替換相應的頻響函數，重新耦合即可，大大縮少計算和測試時間，達到快速判定的效果。權利要求一種高速銑削穩定性快速判定方法，其特征在于包括以下步驟1)將機床整機劃分為五大部分即刀齒、刀桿、刀柄、主軸和機床其它部件；2)稱量刀具即刀齒和刀桿的質量M，再測量出刀桿的直徑d1和長度l1，及刀齒的長度l2，根據刀具材料的密度ρ和公式(1)計算出刀齒的等效直徑d2，將刀具等效為兩段直徑不同的梁單元，再采用Timoshenko梁單元模型求解出刀具的頻響函數特性；<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>·</mo><msup><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mn>2</mn></msup><mo>·</mo><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><mo>·</mo><mi>ρ</mi><mo>+</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>·</mo><msup><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mn>2</mn></msup><mo>·</mo><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mo>·</mo><mi>ρ</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>3)采用Timoshenko梁單元模型計算刀柄法蘭以下部分的頻響函數特性；4)將刀柄法蘭和錐套、主軸和機床其它部件作為一個整體，采用錘擊法測出該整體結構的頻響函數特性；5)將以上各部件的頻響函數特性依次通過子結構耦合法進行合并得到機床整機頻響函數特性，兩結構耦合前、后的頻響函數用矩陣形式表示如公式(23)所示，耦合關系如公式(47)<mrow><msub><mi>R</mi><mi>ij</mi></msub><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>h</mi><mi>ij</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>l</mi><mi>ij</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>n</mi><mi>ij</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>p</mi><mi>ij</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>f</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd><mtd><mfrac><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>m</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>θ</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>f</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd><mtd><mfrac><msub><mi>θ</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>m</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>G</mi><mi>ij</mi></msub><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>H</mi><mi>ij</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>L</mi><mi>ij</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>N</mi><mi>ij</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mi>ij</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd><mtd><mfrac><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>M</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>Θ</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd><mtd><mfrac><msub><mi>Θ</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>M</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>Gaa＝RaaRab(Rbb+Rcc)1Rba(4)Gdd＝RddRdc(Rbb+Rcc)1Rcd(5)Gad＝Rab(Rbb+Rcc)1Rcd(6)Gda＝Rdc(Rbb+Rcc)1Rba(7)式中，R是耦合前各子結構的頻響函數矩陣，其中h，l，n，p是各分量；x和θ分別是子結構的位移和轉角；f和m分別子結構受到的力和力矩；G是耦合后系統的頻響函數矩陣，其中H，L，N，P是各分量；X和Θ分別是耦合后系統的位移和轉角；F和M分別是耦合后系統受到的力和力矩；i，j，a，b，c，d均為坐標系。6)利用耦合得到的機床整機頻響函數特性，繪制出主軸轉數與軸向切深的穩定性極限圖，最后為切削進行穩定性判定。2.根據權利要求1所述的高速銑削穩定性快速判定方法，其特征在于所述的步驟2)的刀具質量M采用精密電子稱稱量得到。3.根據權利要求1所述的高速銑削穩定性快速判定方法，其特征在于所述的步驟2)刀桿的直徑Cl1和長度I1,及刀齒的長度I2均采用游標卡尺測量得到。全文摘要一種高速銑削穩定性快速判定方法，將機床整機劃分為五大部分即刀齒、刀桿、刀柄、主軸和機床其它部件；將刀齒和刀桿作為一個整體和刀柄分別采用Timoshenko梁單元模型求解出其頻響函數特性；將刀柄法蘭和錐套、主軸和機床其它部件做為一個整體采用錘擊法測出其的頻響函數特性；將以上各部件的頻響函數特性依次通過子結構耦合法進行合并得到機床整機頻響函數特性，利用耦合得到的機床整機頻響函數特性，繪制出主軸轉數與軸向切深的穩定性極限圖，最后為切削進行穩定性判定。本發明如加工不同零件需要，其中某個子結構改變時，只需重新計算變動過的結構頻響函數，再次耦合即可得到新的結構穩定性極限圖，大大提高了判斷速度，適合于在線的切削參數優化。文檔編號B23Q11/00GK101905340SQ20101023520公開日2010年12月8日申請日期2010年7月23日優先權日2010年7月23日發明者盧秉恒,張俊,趙萬華申請人:西安交通大學;西安瑞特快速制造工程研究有限公司