基于预应力施加的薄壁件铣削稳定性改善方法与流程

本发明涉及一种薄壁件铣削稳定性改善方法，特别涉及一种基于预应力施加的薄壁件铣削稳定性改善方法。

背景技术

薄壁件由于其刚性差的特点，在铣削加工过程中容易发生颤振现象，导致零件加工精度不足，表面粗糙度大，严重时会损坏工件、刀具，甚至使机床主轴受损。通过稳定性叶瓣图的绘制可合理选取切削参数规避加工颤振区域，但该方法属于被动避振，往往不能达到预期设想，发挥机床的最佳性能。因此，发展改善薄壁件铣削稳定性的方法具有重要的理论意义与实际应用价值。

文献“s.bolsunovsky,v.vermel,g.gubanov,a.leontiev,reductionofflexibleworkpiecevibrationswithdynamicsupportrealizedastunedmassdamper,procediacirp8(2013)230–234”公开了一种在薄壁件表面粘贴阻尼器来改善薄壁件铣削稳定性的方法。该方法通过计算不同工件频率，调节阻尼器参数使得在薄壁件铣削过程中稳定性有所提升。

文献公开的方法加工过程中需要在工件表面粘贴调谐阻尼器，影响刀具走刀路径规划，实用性差。

技术实现要素：

为了克服现有薄壁件铣削稳定性改善方法实用性差的不足，本发明提供一种基于预应力施加的薄壁件铣削稳定性改善方法。该方法首先通过模态锤击实验得出刀具与工件的模态参数并确定其模态使用阶数，利用时域法计算薄壁件稳定性叶瓣图，选定优化转速；然后通过有限元方法计算一系列预应力下薄壁件的固有频率，利用曲线拟合得到固有频率和预应力之间的关系；最后，通过选定优化转速对应的目标轴向极限切深为优化目标，扫描固有频率，直到该转速下轴向极限切深达到目标值时，输出所需预应力的值。本发明在不干涉走刀路径的前提下，利用施加相应大小的预应力，达到改善薄壁件铣削稳定性的目的，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于预应力施加的薄壁件铣削稳定性改善方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、将选定刀具以固定悬伸量装夹到机床主轴，工件装夹到装夹装置中，通过多点模态锤击实验得到刀具进给方向和法向的模态参数以及工件垂直于进给方向的模态参数，分析模态测试结果，确定刀具所需模态阶数nc，和工件所需模态阶数nw。

步骤二、通过时域法中半离散稳定性计算方法，带入步骤一所得模态参数，绘制薄壁件稳定性叶瓣图。

步骤三、通过步骤二得到的稳定性叶瓣图，选取目标主轴转速sa，确定预期铣削轴向极限切深alim。

步骤四、通过有限元方法计算预应力p为0mpa，1mpa，…，21mpa时，薄壁件对应的nw阶固有频率和模态振型。

步骤五、对步骤四得到的数据进行曲线拟合，得到薄壁件nw阶固有频率与预应力p之间的nw个关系式。

步骤六、扫描步骤四得到的固有频率，计算每一个固有频率及其对应的模态振型在选定目标主轴转速sa时，对应的铣削轴向极限切深alim，直到该轴向极限切深满足下述公式：

alim≥alim

并记录此时的固有频率矩阵为ωwa。

步骤七、将步骤六得到的固有频率ωwa带入步骤五得到的关系式中，计算出铣削轴向极限切深所需的预应力pn。

本发明的有益效果是：该方法首先通过模态锤击实验得出刀具与工件的模态参数并确定其模态使用阶数，利用时域法计算薄壁件稳定性叶瓣图，选定优化转速；然后通过有限元方法计算一系列预应力下薄壁件的固有频率，利用曲线拟合得到固有频率和预应力之间的关系；最后，通过选定优化转速对应的目标轴向极限切深为优化目标，扫描固有频率，直到该转速下轴向极限切深达到目标值时，输出所需预应力的值。本发明在不干涉走刀路径的前提下，利用施加相应大小的预应力，达到改善薄壁件铣削稳定性的目的，实用性好。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法实施例中所用刀具进给方向传递函数频谱图。

图2是本发明方法实施例中所用刀具进给法向传递函数频谱图。

图3是本发明方法实施例中所用工件传递函数频谱图。

图4是本发明方法实施例中薄壁件铣削稳定性叶瓣图。

图5为本发明方法实施例中预应力与薄壁件一阶固有频率曲线拟合图。

图6为本发明方法实施例中预应力与薄壁件二阶固有频率曲线拟合图。

图7为本发明方法实施例中施加预应力与未施加预应力的稳定性叶瓣图。

具体实施方式

参照图1-7。本实施例所选取的薄板尺寸为145mm×60mm×4mm，材料为铝合金7075，杨氏模量为e＝71gpa，密度为ρ＝2810kg/m³，泊松比为υ＝0.33，边界条件为两对边固定，两对边自由；选取齿数为n＝4齿，直径为d＝12mm，螺旋角为β＝30°，法向前角为αn＝10°，后角为γ＝5°的平底硬质合金立铣刀；在三坐标立式加工中心，采用径向切深为ae＝0.6mm，每齿进给为c＝0.05mm/齿的顺铣切削方式进行铣削。

本发明基于预应力施加的薄壁件铣削稳定性改善方法具体步骤如下：

步骤一、将选定刀具以固定悬伸量装夹到机床主轴，工件装夹到装夹装置中，通过多点模态锤击实验得到刀具进给方向和法向的模态参数以及工件垂直于进给方向的模态参数，分析模态测试结果，确定刀具所需模态阶数nc，和工件所需模态阶数nw。测试刀具模态参数时，粘贴三个加速度计分别位于距离刀尖点0mm，16mm和36mm处；测试工件模态参数时，粘贴两个加速度计分别位于工件横向中轴线上距离薄板顶端10mm和30mm处，粘贴第三个加速度计位于工件纵向中轴线上距离横向中轴线20mm处。从附图1和附图2中分析得到刀具所需模态阶数nc＝3；从附图3中分析得到工件所需模态阶数nw＝2。刀具模态参数如表1所示，工件模态参数如表2所示。

表1刀具试验模态参数

表2工件试验模态参数

步骤二、通过时域法中半离散稳定性计算方法，带入步骤一所得模态参数，绘制薄壁件稳定性叶瓣图。

步骤三、通过步骤二得到的稳定性叶瓣图，选取目标主轴转速sa，确定预期铣削轴向极限切深alim。从稳定性叶瓣图中看到，转速为6360转时，轴向极限切深只有0.4mm。选取目标主轴转速为sa＝6360转/分钟，确定预期铣削轴向极限切深alim＝1.2m。m

步骤四、通过有限元方法计算预应力p为0mpa，1mpa，…，21mpa时，薄壁件对应的nw阶固有频率和模态振型。通过有限元方法计算后，得到薄壁件对应的第一阶固有频率如表3所示，第二阶固有频率如表4所示。

表3不同预应力下薄壁件第一阶固有频率

表4不同预应力下薄壁件第二阶固有频率

步骤五、对步骤四得到的数据进行曲线拟合，得到薄壁件nw阶固有频率与预应力p之间的nw个关系式。从附图5和附图6分析可以看出，固有频率与预应力p之间呈现线性关系。通过曲线拟合，得到薄壁件前两阶固有频率与预应力p之间的两个关系式如下：

ωwp1＝2.87×p+1751

ωwp2＝1.88×p+2548

式中，ωwp1为预应力下薄壁件的第一阶固有频率，ωwp2为预应力下薄壁件的第二阶固有频率，p为预应力。

步骤六、扫描步骤四得到的固有频率，计算每一个固有频率及其对应的模态振型在选定目标主轴转速sa时，对应的铣削轴向极限切深alim，直到该轴向极限切深满足下述公式：

alim≥alim

并记录此时的固有频率矩阵为ωwa。编程实现对步骤四固有频率的扫描，计算在选定目标主轴转速sa＝6360转/分时，对应的铣削轴向极限切深alim，直到alim≥1.2mm。此时输出固有频率矩阵为：

其中ωwa1为达到目标极限切深时薄壁件的第一阶固有频率，ωwa2为达到目标极限切深时薄壁件的第二阶固有频率。

步骤七、将步骤六得到的固有频率ωwa带入步骤五得到的关系式中，计算出为了达到目标铣削轴向极限切深时，所需的预应力pn。将矩阵ωwa带入步骤五得到的公式中，计算出所需预应力pn＝15mpa。

根据本实施例计算出来的预应力大小，对工件进行预应力施加，绘制稳定性叶瓣图。从附图7的实验结果可以看出，对于目标转速下，施加预应力提高了极限切深值。