基于解析力模型的弱刚性特征倾斜铣削表面质量优化方法与流程

1.本发明涉及的是一种铣削领域的技术，具体是一种基于解析力模型的弱刚性特征倾斜铣 削表面质量优化方法。


背景技术：

2.薄壁特征(比如航天航天的舱体，端框，舵面，翼面以及发动机的叶片)的铣削在航空航 天工业在内的各类工业界中非常常见。加工振动常使表面上残留有不规则、深浅不一的振纹， 造成表面的美观性变差，降低了零件几何精度，限制了加工效率，并缩短了刀具的使用寿命。
3.现有技术主要通过优化进给率，在一定程度上可以降低强迫振动，但是这会导致相对较 低的材料去除率和生产效率。另一方面，尽管可以利用阻尼器抑制振动，但是额外的辅助设备、 特殊夹具或定制的铣刀的引入，这不仅高度增加了加工成本，而且还为整个刀具
‑
工件
‑
机床系 统引入了不确定性和复杂性，因此这种加入阻尼器的方法可行性非常有限。


技术实现要素：

4.本发明针对弱刚性零件铣削表面质量差的问题，提出一种基于解析力模型的弱刚性特征 倾斜铣削表面质量优化方法，通过精确的倾斜铣削力模型，在铣削弱刚性板材边缘时将刀具倾 斜到一个适当的倾斜角度，以减少沿薄壁板材最低刚度方向的切削力分量，从而显著减轻薄壁 零件的铣削工艺中的振动并有效改善加工表面质量。这种方式不需要降低进给量，因此不会降 低生产效率。这种方法的第二个优点是不需要引入额外的高成本的阻尼器。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明涉及一种基于解析力模型的弱刚性特征倾斜铣削表面质量优化方法，包括如下步 骤：
7.步骤1)建立弱刚性特征倾斜铣削时铣削力的解析模型来预测瞬时铣削力，具体包括：
8.1.1)确定刀具切削刃坐标系p
‑
x1y1z1下的微元铣削力下的微元铣削力其中：β为铣削过程中所用刀具的螺旋角，k
rk
， k
nk
，k
tk
分别为与工件材料有关的切削力系数，h
c
(t，z)为未变形切屑厚度，为时间t和刀具轴向 高度z的函数，dz为刀具轴向微元。
9.所述的切削力系数，采用但不限于“analytical models for high performance milling.part i： cutting forces，structural deformations and tolerance integrity”(budak e.；int.j.mach.toolsmanuf.，2006，46(12)：1478
‑
1488)中方法获取。
10.1.2)将刀具螺旋刃坐标系p
‑
x1y1z1下的微元铣削力转换到刀具坐标系o
t
‑
x
t
y
t
z
t
下的微元铣削力其中：为刀具切 削刃上某微元p在加工时刻t时的角位置(刀具瞬时浸入角)。
11.1.3)确定刀刃微元的瞬时浸入角其中：n为主轴转速，r为 刀具半径。
12.1.4)确定动态未变形切屑厚度其中：f
z
为刀具的每齿进给量，变量φ
begin
和φ
end
分别为刀具切入和切出时对应的旋转角。
13.1.5)确定φ
begin
，φ
end
和微元铣削力的积分上下限积分上下限其中：：h为薄壁工件的厚度， θ为刀具倾斜角，r为刀具槽半径，a
e
为切削宽度，z
d
为参考点高度，可设为0。
14.1.6)将刀具坐标系下的微元铣削力转换到工件坐标系下，并进行数值积分，得到工件坐 标系下的总铣削力具体为：具体为：
15.步骤2)基于步骤1)建立的铣削力的解析模型构建加工表面几何质量评价参量步骤2)基于步骤1)建立的铣削力的解析模型构建加工表面几何质量评价参量其中：t
d
为刚进入切削区的参考时间，可设 为0。
16.步骤3)对步骤2)建立的加工表面几何质量评价参量进行寻优，即目标函数是min[f(θ)]， 寻优空间为θ∈[θ
d
，θ
u
]，得到最优的刀具倾斜角θ
opt
，即为使得铣削振动和表面粗糙度最小的刀 具倾斜角。
[0017]
所述的寻优，通过黄金分割算法实现。
[0018]
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：倾斜铣削切削力模型建立单元、模型求解 单元、基于切削力最小的刀具倾斜角黄金分割优化单元和优化实施单元，其中：倾斜铣削切削 力模型建立单元根据实际的铣刀和工件的几何干涉关系建模得到倾斜铣削过程中动态铣削力 的解析模型；模型求解单元根据实际加工参数和刀具几何参数对解析模型进行数值计算得到铣 削过程中切削力数值解；刀具倾斜角黄金分割优化单元根据不同的刀轴倾斜角，基于黄金分割 算法得到不同刀具倾斜角下对应的切削力以及最小的切削力对应的最优刀轴倾斜角；优化实施 单元根据最优刀轴倾斜角进行倾斜铣削处理，实现表面质量优化。技术效果
[0019]
本发明针对弱刚性零件铣削表面质量差的问题，在铣削弱刚性板材边缘时将刀具倾斜到 一个适当的倾斜角度，以减少沿薄壁板材最低刚度方向的切削力分量，从而减轻加
工振动并有 效改善加工表面质量。本发明通过倾斜铣削时的铣削力的预测模型，可以实时在线监控加工过 程中的铣削力，根据衡量薄壁零件最弱刚性方向上的外界输入的振动能量的评估模型，通过黄 金分割算法，获得了最佳的刀具倾斜角度，使得加工后薄壁零件的表面质量最高。本方法可以 为在薄壁工件的铣削操作中实现高质量的加工表面提供实际指导。
附图说明
[0020]
图1为薄壁工件侧边铣削力模型示意图；
[0021]
图中：(a)为刀刃微单元，(b)为zt轴向视图，(c)为将微元铣削力投影到刀具切削刃坐标 系p
‑
x
t
y
t
z
t
，(d)为将刀具切削刃坐标系下的微元铣削力变换到刀具坐标系o
t
‑
x
t
y
t
z
t
；
[0022]
图2为薄壁件侧边倾斜铣削未变形切屑厚度示意图；
[0023]
图3(a)为薄壁工件侧边倾斜铣削的刀具
‑
工件接触关系的计算示意图；图3(b)为刀具
‑
工 件接触区的放大视图；
[0024]
图4为基于黄金分割搜索算法计算最佳刀具倾斜角度的流程图；
[0025]
图5为(a)刀具倾斜角θ＝30
°
和为(b)为θ＝50
°
时，实验测量的和预测的切削力的比较示意 图；
[0026]
图6为(a)评估模型f(θ)的值随刀具倾斜角θ的变化示意图；(b)为不同刀具倾斜角θ下的 铣削力fz随时间的关系示意图；
[0027]
图7为振动振幅和评估指数f随工具倾斜角度的变化示意图；
[0028]
图8为不同倾斜角度下的加工表面粗糙度示意图；
[0029]
图9为不同刀具倾斜角度下的加工表面形貌示意图；
[0030]
图10为实施例应用场景示意图示意图。
具体实施方式
[0031]
本实施例涉及一种基于解析力模型的弱刚性特征倾斜铣削表面质量优化方法，包括如下 步骤：
[0032]
步骤1)建立弱刚性特征倾斜铣削时铣削力的解析模型来预测瞬时铣削力，即工件坐标系 下的总铣削力具体为：具体为：
[0033]
步骤2)基于步骤1)建立的铣削力的解析模型构建加工表面几何质量评价参量步骤2)基于步骤1)建立的铣削力的解析模型构建加工表面几何质量评价参量其中：t
d
为刚进入切削区的参考时间，可设 为0。
[0034]
步骤3)对步骤2)建立的加工表面几何质量评价参量进行寻优，即目标函数是min[f(θ)]， 寻优空间为θ∈[θ
d
，θ
u
]，得到最优的刀具倾斜角θ
opt
，即为使得铣削振动和表面粗糙度最小的刀 具倾斜角。
[0035]
如图1所示，为薄壁工件侧边铣削力模型示意图。采用离散微元法对铣削力模型进
行构 建。在三维空间坐标系中，作用于刃口的微元切削力与时间t和坐标z有关，具体为： 其中：是与工件材料有关的切削力系数，db
c
是 未变形切屑宽度，h
c
(t,z)是未变形切屑厚度。如图1所示，未变形切屑宽度db
c
与刀具螺旋角β 相关：db
c
=secβ
·
dz。为了对刀齿刃口上不同点的铣削力进行叠加，将微单元的瞬时铣削力 转换到刀具螺旋刃坐标系p
‑
x1y1z1下的其中：变换矩阵换矩阵
[0037]
如图1所示，所述的刀具坐标系o
t
‑
x
t
y
t
z
t
下的微元切削力下的微元切削力通过计算得到，其中：变换矩阵得到，其中：变换矩阵是刀具切削刃上某微元p在加工时刻t时的角位置(刀具 瞬时浸入角)。
[0038]
所述的变换矩阵中的刀具瞬时浸入角其中：n是主轴转速，φ(z) 是刀具刃口微元p相对于基准点b的滞后角
[0039]
如图2所示，所述的动态未变形切屑厚度h
c
(t，z)为刀具旋转和进给时切削刃与工件之间 的几何干涉量，切削刃上某微元p处的未变形切屑厚度其中：f
a
是刀 具的等效每齿进给量，是刃口微元p的实时角位置。
[0040]
如图3所示，随着刀具的旋转，刃口微元p将连续经历空切，切削、再次空切三个阶段， 相应刀齿的等效每齿进给量其中：f
z
是刀具的每齿进给量， φ
begin
是刃口微元p恰好切入工件时的刀具角位置，φ
end
是刃口微元p恰好切出工件时的角位置， 变量φ
begin
和φ
end
取决于刀具
‑
工件接触区的形状边界。
[0041]
所述的刀具
‑
工件接触区的边界，通过以下方式确定，以进一步确定刀具切入角φ
begin
和 切出角φ
end
，以及微元铣削力的积分上下限：刀具
‑
工件接触区为多边形bm2em1，刀具旋转时， 基准点b将首先与工件接触，基准点b在z
t
轴上的坐标为z
d
。点e是刀具
‑
工件接触区刀具刃 口上的上边界点(微元铣削力的积分上限)，其z
t
轴坐标记轴坐标记其中：h是薄壁工件的厚度，θ是刀具倾斜角，r是刀具槽半径，a
e
是切削宽度，刀齿恰好 切入接触区的时刻为t
d
，恰好切出接触区的时刻为t
u
，在此期间，切削刃有序通过刀具
‑
工件接 触区的两个顶点m1和m2，点m1和m2在z
t
轴的坐标z1和z2分别为：可得到刀尖离开接触区的时刻
[0042]
由于φ
begin
和φ
end
与刀具刃口微元点p的z
t
轴坐标直接相关，在获得顶点m1和m2的z
t
轴坐标后，
为逆铣，刀具倾斜角θ设为6个水平：0
°
，10
°
，20
°
，30
°
，40
°
，50
°
.薄壁零件悬臂长度为8mm。
[0049]
铣削过程中用激光位移测量传感器cd5l
‑
25采集薄壁板铣削时的瞬时振动位移。
[0050]
铣削后用表面粗糙度测试仪(mitutoyo sj
‑
210)测量表面粗糙度，并用光学显微镜 (keyence vhx
‑
600)拍摄表面形貌。分析加工过程中的切削力和薄壁的振动位移，以及加工过后 的表面粗糙度和表面形貌。
[0051]
如图5所示，为当刀具倾斜角θ＝30
°
和θ＝50
°
时，利用本方法预测的铣削力和实验测量的 铣削力之间的比较。可以发现，预测结果和实验结果在以下方面吻合得很好：(i)预测结果和实 验结果的波形一致，表明刀具从0度旋转到360度时，预测值和实验值的变化趋势一致。(ii) 预测结果和实验结果的切削力波形的周期相等，这意味着理论模型有能力描述铣削力的周期性 特征。(iii)预测结果和实验结果的切削力波形的瞬时值接近。以上分析说明，本实施例提出的 薄壁零件倾斜式侧边铣削过程中铣削力的预测模型是准确可靠的。
[0052]
优化铣刀倾斜角度以减少薄壁工件侧铣时的振动。根据建立的评估模型f(θ)和提出的优 化策略，在给定的迭代精度ε＝2度下，可以得到评估指数f(θ)的值随刀具倾斜角θ的变化情况， 如图6(a)所示。同时，根据建立的铣削力模型，计算出了不同刀具倾斜角度下f
z
的变化曲线， 如图6(b)所示。由图可知，随着刀具倾斜角的增加，f(θ)值首先减少，然后几乎是线性增加， 当倾斜角θ＝22度时，f(θ)取得了最小值0.08n，因此θ＝22度被认为是抑制振动的最佳刀具倾斜 角。另外可以发现，随着刀具倾斜角的增加，f(θ)的变化趋势与f
z
的峰值的绝对值的变化很一 致。在最佳刀具倾斜角22度时，f
z
的值接近零，意味着在这种情况下切削力诱发的振动最弱 小，表面质量最高。基于上述讨论，预测的最佳刀具倾斜角为22度。
[0053]
为了验证上述预测结果，通过实验得到了不同刀具倾斜角度下的表面粗糙度、表面形貌 图和加工过程中的瞬时振动位移。研究了刀具倾斜角度对抑制工件振动的影响，并验证了所建 立的评估模型的正确性。
[0054]
如图7所示，为振动振幅和相应的评估指数f(θ)随刀具倾斜角的变化。在预测的最佳倾 斜角(22度)位置，振动位移的振幅在所有的实验中达到了最小值15.2μm。随着倾斜角的增加， 振动幅度与评估指标f(θ)有相同的变化趋势，在预测的最佳倾斜角(22度)位置，这两个变量都 达到最小值。因此，可以确认所提出的评估模型f(θ)可以准确衡量工件的振动程度，本实施例 提出的优化策略能够对弱刚性薄壁工件加工产生良好的振动抑制效果。
[0055]
如图8所示，表面粗糙度与振动密切相关，较大的加工表面粗糙度是由于铣削过程中工 件振动较大造成的。在不同的刀具倾斜角以及预测的最佳倾斜角22度下，经过试验，测量了 加工表面粗糙度ra、rq和rz，可以看出，在22度的倾斜角下，ra和rq达到最小值0.47μm 和0.58μm，而rz达到第二个最小值3.14μm。在所研究的角度中，22度的倾斜角是最佳的加 工表面光洁度。试验结果表明，采用基于本方法得到的刀轴前倾角能够对弱刚性薄壁工件加工 产生良好的振动抑制效果，提高了加工表面质量。证明了所提出的评估模型f(θ)用来优化表面 光洁度的可行性。
[0056]
如图9所示，在所研究的刀具倾斜角度下，加工表面的形貌是不同的。在这些表面上可 以清楚地观察到均匀分布且相互平行的条纹。条纹与垂直于刀具进给方向之间的角度等于刀具 的倾斜角度，表明这些条纹是由铣削刀具的周期性切削引起。在这些表面形态
中，很明显，刀 具倾斜角为22度时的表面形态比其他的表面形态有更多的规则纹理，振动痕迹更少。这一现 象表明，在刀具倾斜角为22度时，可以获得最弱的工件振动，表面质量最好。
[0057]
相比现有技术，本方法在模型中引入了刀轴倾斜角，瞬时未变形切削厚度相比现有技术，本方法在模型中引入了刀轴倾斜角，瞬时未变形切削厚度刀具的切入角φ
begin
和切出角φ
end
、微元铣削力的积分上限z
d
和下限和下限刀具
‑
工件接触区的几何形状、工件坐标系下和刀具坐标系下切 削力的变换矩阵均与刀具倾斜角θ有关。也就是说，考虑了刀具倾斜角θ之后，模型可以反映出 输入到工件中的能量，并可量化材料去除过程中切削力f
zw
(t，θ)沿时间轴的偏差，能够在一定程 度上反映工件的加工振动程度进而反映铣削加工表面质量，更符合实际加工情况，能够预测刀 具倾斜情况下的铣削力，实际加工中不再需要购买加速度传感器来测量铣削加工中的振动。而 传统的不考虑刀具倾斜角的理论模型不能预测刀具倾斜情况下的铣削力。
[0058]
综上，本方法针对弱刚性零件铣削表面质量差的问题，可以为在薄壁工件的铣削操作中 实现高质量的加工表面提供实际指导。
[0059]
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式 对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围 内的各个实现方案均受本发明之约束。