一種柔性結構件銑削加工的工藝參數優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及計算機數控加工技術領域，尤其是涉及數控銑削加工工藝參數優化領 域，具體為一種柔性結構件銑削加工的工藝參數優化方法。
【背景技術】
[0002] 在航空、航天以及能源等領域，柔性薄壁結構零件的應用非常廣泛，零件的加工精 度和加工效率很大程度上依賴于加工參數的合理選擇。為了達到柔性結構零件高效精密的 加工要求，不僅需要確保加工過程穩定性，即不發生顫振，還需要保證零件的加工精度和低 成本。
[0003] 現有的柔性結構件加工工藝參數優化方法主要基于常數邊界的加工動力學模型 (Altintas Y, Budak E. Analytical Prediction of Stability Lobes in Milling. CIRP Annals-Manufacturing Technology. 1995;44(1) :357-62.)，在動力學建模過程中將統刀 刀刃切入切出角當做恒定的常數，即不考慮切削振動對其影響，利用基于攝動假設將切厚 動態變化量導致的切削力瞬態分量看做是額定激勵的高階小量，從而在穩定性分析中忽略 額定激勵導致的切削力穩態量，以切削力瞬態分量的穩定性來判斷切削過程是否穩定。以 該建模方法獲取的穩定性以及基于此穩定性進行的參數優化在剛性大的工件切削過程有 較好的預報結果，但是在柔性結構加工過程中往往誤差較大，究其原因是由于柔性結構零 件由于其結構剛度較低，在切削過程中振動較大，振動位移大大改變實際刀刃的切入切出 角，從而無法對真實的工況進行準確地建模，因此獲得的穩定性以及工藝參數不是真實的 優化值，可能導致高幅值振動乃至顫振，難以實現柔性結構零件的高效、精密加工。
【發明內容】
[0004] 針對上述問題，本發明提供了一種柔性結構件銑削加工的工藝參數優化方法，其 能在保證柔性結構件加工穩定性的同時保證加工精度，從而實現柔性結構件的精密、高效 加工。
[0005] -種柔性結構件銑削加工的工藝參數優化方法，其特征在于：首先搭建一套柔性 工件加工實驗裝置，將工件安裝于所述柔性工件加工實驗裝置從而形成一個柔性工件系 統，然后按以下步驟進行工藝參數優化： (1) 獲取所述柔性工件系統的模態參數，所述模態參數包括模態質量、模態阻尼和模態 頻率； (2) 根據所述柔性工件系統的模態參數，進行切削動力學建模，建立刀具幾何參數、所 述柔性工件系統的模態參數、機床主軸轉速、工件的振動位移對瞬時切厚、切入切出角以及 切削力的函數關系； (3) 利用時域數值方法獲取銑刀所述切削柔性工件系統的穩定域邊界：根據所述步驟 (2)確定的函數關系，基于時域數值仿真和數值積分法來綜合求解，并以穩態振動位移與設 定值比較為判穩條件，求解銑削穩定域的邊界； (4) 采用所述柔性工件加工實驗裝置進行切削試驗對所述切削動力學建模進行實驗驗 證； (5) 以機床主軸切削材料去除率最大化和工件振動最小化為優化目標，以所述穩定域 邊界為約束條件，建立柔性結構件銑削參數優化模型，通過非線性優化算法來獲得優化后 的機床主軸轉速和切深。
[0006] 其進一步特征在于： 所述柔性工件加工實驗裝置包括一雙板支承的柔性鉸鏈機構以及與信號采集工控機 相連的非接觸加工位移傳感系統； 所述獲取所述柔性工件系統的模態參數的具體過程為，以脈沖實驗力作為激勵輸入信 號，以粘貼在工件上的加速度信號為振動輸出，通過傳統函數計算獲取所述柔性工件的所 述模態參數； 所述步驟（3)的具體過程為，采用時域數值方法對所述柔性工件系統響應進行輸出仿 真，首先將整個輸出時間段進行離散化，在單個時間步內進行計算和位移、切入切出邊界的 更新，將輸出的穩態位移和設定值作對比，當仿真輸出值大于設定值時認為所述柔性工件 系統不穩定，當仿真輸出值小于設定值時認為所述柔性工件系統穩定，以此來獲得整個轉 速-切深參數平面內的穩定域； 所述單個時間步進行計算和位移、切入切出邊界的更新流程為：依次進行切厚計算、切 削力計算、振動位移計算、切入切出邊界計算以及開關函數計算，所述開關函數計算結果返 回至所述切削計算進行循環迭代計算，所述每一次振動位移計算輸出后對位移、切入切出 邊界進行更新； 所述步驟（4)的具體過程為，利用激光位移傳感器對所述柔性工件的位移信息和主軸 轉速進行同步采集，獲取真實轉速下的工件振動位移；對所述工件位移采用相圖法進行判 穩分析，當位移相圖為點時系統判為穩定，當位移相圖為極限環時系統判為不穩定。
[0007] 由于本發明中考慮了柔性結構零件切削振動位移對切入切出角變化的影響，更加 符合真實的工況，提高了柔性結構件加工穩定性預報的準確性；本發明以工件的振動位移 幅值的大小來判穩，符合實際工況可操作性條件，對于切削顫振實時監測具有很大的便捷 性。利用本發明所提的方法，不僅可保證柔性結構零件加工過程的穩定性，還能保證零件加 工過程中具有較小的絕對振幅，即具有較高的加工精度。在同時滿足加工穩定性和加工精 度的參數范圍內對主軸轉速和工件振動最小化進行優化選取，可保證柔性結構零件的無顫 振高效精密加工。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發明中柔性工件加工實驗裝置示意圖； 圖2-1為本發明實施例中柔性工件系統的頻響函數圖； 圖2-2為本發明實施例中刀具系統的頻響函數圖； 圖3為本發明實施例中切入角隨工件位移振動的變化示意圖； 圖4為本發明實施例的單個時間步的時域計算輸出仿真流程示意圖； 圖5為本發明實施例的柔性結構件銑削穩定域與實測對比圖； 圖6-1為本發明實施例中失穩點的位移和相圖； 圖6-2為本發明實施例中穩定點參數點處的位移和相圖