一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法

摘要

本发明涉及一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法，包括：1）输入主轴-刀具系统的结构参数和初始切削条件；2）建立主轴-刀具系统动力学模型，据此计算刀尖处的频率响应函数；确定切削力系数；3）建立高速主轴-刀具动态特性与铣削交互过程模型，得到闭环动态铣削系统的特征方程；4）计算高速铣削加工颤振稳定性叶瓣图；5）以高速铣削加工颤振稳定性叶瓣图下界曲线为约束条件，以最大材料去除率为优化目标，选取机床主轴转速和切削深度，实现高速铣削参数优化。本发明考虑了高速旋转状态下主轴-刀具系统的离心力和陀螺力矩效应，更加接近实际工况，提高了稳定性预测的准确性，为高速铣削工艺参数优化提供了又一有效技术。

主权项

1.一种基于动力学模型的高速铣削工艺参数优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1）输入主轴-刀具系统的结构参数和初始切削条件，为高速主轴系统动力学建模和切削过程建模提供数据支持；2）考虑离心力和陀螺力矩效应，建立主轴-刀具系统动力学模型，据此计算刀尖处的频率响应函数；同时根据输入的切削条件，利用试验法确定切削力系数；3）建立高速主轴-刀具动态特性与铣削交互过程模型，得到闭环动态铣削系统的特征方程；4）利用奈奎斯特稳定性判据，求解闭环动态铣削系统的特征方程，计算高速铣削加工颤振稳定性叶瓣图；5）以高速铣削加工颤振稳定性叶瓣图下界曲线为约束条件，以最大材料去除率为优化目标，选取机床主轴转速和切削深度，实现高速铣削参数优化；所述步骤2）中，高速主轴-刀具系统动力学模型为：$m\stackrel{··}{x}+c\stackrel{·}{x}+\mathrm{kx}=F---\left(1\right)$式中，和x分别为系统的加速度、速度和位移振动响应，F为外力矢量；m、c和k分别为主轴系统的质量、阻尼和刚度矩阵；其中：$\begin{array}{c}m=m_S\\ c=c_D-\mathrm{\Omega G}\\ k=k_S+k_B-{\Omega }^2{m}_C\end{array}---\left(2\right)$式中，m_S为主轴部件的质量矩阵；c_D为结构阻尼，可以利用实验模态测试得到，Ω为主轴转速，G为主轴转子的陀螺矩阵；k_S为主轴部件的刚度矩阵，k_B为主轴轴承刚度矩阵，m_C为离心力引起的等效质量矩阵；利用式(1)，计算刀尖处的频率响应函数；所述步骤2）中，利用试验法确定切削力系数，是指全齿铣削实验平均切削力法。