一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法与流程

本发明涉及切削稳定性领域，尤其涉及一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法。

背景技术：

1、薄壁零件通常是指壁厚与轴向或径向尺寸比大于1/10的零件，薄壁零件因其重量轻、结构紧凑而广泛应用于航空航天领域。虽然薄壁零件加工精度随加工技术的发展而不断提高，但是由于薄壁零件加工去除率较高，成型时工件的刚度降低，薄壁零件在铣削过程中受铣削力影响极易产生较大的加工变形。并且加工过程中极易发生切削振动，导致薄壁零件加工精度降低。

2、由于薄壁零件刚度较低，在铣削加工过程中会出现切削振动甚至颤振.这将影响宝贝零件的表面加工质量，并且加工精度也会随之降低。因此，薄壁零件的切削振动是制造加工中一个难题。

3、作者石佳昊发表的文献“薄壁件铣削动态响应与振动抑制研究”，其研究考虑材料移除效应影响薄壁零件在铣削力作用下的强迫响应，提出时空离散稳定性预测方法预测薄壁件铣削位置依赖的切削稳定性，基于连续体动力学理论研究薄壁件铣削系统位置依赖的动态特性，提出薄壁件铣削位置依赖的时空离散稳定性预测方法。该文献主要采用薄壁件铣削位置稳定性预测抑制薄壁件铣削振动，尚未考虑制造加工中刀轴引动对薄壁件铣削振动的影响。

4、基于切削动力学对多轴加工中的刀轴矢量进行优化是抑制切削振动的有效手段。例如文献1“ozturk e,budak e.dynamics and stability of five-axis ball-endmilling[j].journal of manufacturing science and engineering,2010,132(2):021003.”公开了一种迭代方法来计算稳定性极限切削深度，此文献虽通过增加切削深度来执行迭代计算，直到所有计算出的极限切削深度均小于分析中的切削深度。然而文献1中，如果初始切削深度选择不当，并且极限切削深度较大，则迭代计算效率低下。

5、再例如文献2“li w,wang l,yu g,et al.time-varying dynamics updatingmethod for chatter prediction in thin-walled part milling process[j].mechanical systems and signal processing,2021,159(2):107840.”公开了一种薄壁件切削稳定预测方法。该文献是针对薄壁件三轴加工提出了稳定切削预测模型，不适用于薄壁件多轴加工。

6、如何对薄壁件五轴铣削抑制铣削振动，成为亟待解决的难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法，基于二分搜索算法的策略计算极限切削深度，构建薄壁件切削位置与刀轴倾角的薄壁件五轴加工切削稳定性预测模型，生成稳定切削参数，有效的抑制薄壁件五轴铣削过程中的切削振动。

2、实现本发明目的的技术方案如下：

3、本发明提供了一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法，包括以下步骤：

4、步骤一、建立薄壁件的有限元模型，获取所述薄壁件的模态振型，确定所述薄壁件任意切削位置的切削稳定性；

5、步骤二、确定五轴铣削加工的坐标单元，其中，所述坐标单元包括机床坐标系、薄壁件坐标系、进给坐标系和球头刀坐标系；

6、步骤三、构建与所述薄壁件任意切削位置相关的五轴切削稳定性预测模型；

7、步骤四、通过所述五轴切削稳定性预测模型获得极限切削深度，依据所述极限切削深度绘制薄壁件稳定切削叶瓣图，基于二元搜索算法的策略计算极限切削深度；

8、步骤五、基于所述薄壁件稳定切削叶瓣图选择壁件球头刀五轴铣削加工时切削参数。

9、作为本发明的进一步限定，所述步骤一具体为：

10、建立薄壁件的有限元模型；

11、获得薄壁件的模态振型；

12、通过所述有限元模型的仿真计算和所述模态振型的模态测试获得切削动力学参数；

13、确定所述薄壁件的切削稳定性位置。

14、作为本发明的进一步限定，所述通过所述有限元模型的仿真计算和所述模态振型的模态测试获得切削动力学参数，包括：

15、将所述薄壁件和球头刀装夹在机床上，设置球头刀的悬长，进行锤击实验，获得所述薄壁件和球头刀的频响函数；

16、通过所述模态振型的模态分析得到切削动力学参数，所述切削动力学参数包括所述薄壁件的固有频率和阻尼比、球头刀的模态振型、固有频率和阻尼比。

17、作为本发明的进一步限定，所述步骤二具体为：

18、确定五轴铣削加工的机床坐标系、薄壁件坐标系、进给坐标系和球头刀坐标系；

19、基于进给坐标系确定进给方向、横向进给方向、薄壁件表面法线方向、前倾角、侧倾角、薄壁件表面法向矢量；

20、基于薄壁件坐标系确定刀轴矢量；

21、构造球头刀坐标系、薄壁件坐标系和机床坐标系之间的变换矩阵。

22、作为本发明的进一步限定，基于进给坐标系确定进给方向、横向进给方向、薄壁件表面法线方向、前倾角、侧倾角、薄壁件表面法向矢量，包括：

23、基于进给坐标系确定进给方向f、横向进给方向c、薄壁件表面法线方向n、前倾角α、侧倾角β、薄壁件表面法向矢量n，其中，前倾角α为球头刀的刀轴关于横向进给方向c的转角，侧倾角β为球头刀的刀轴关于进给方向f的转角；薄壁件表面法向矢量n通过三维软件编程时将前倾角α和侧倾角β设置为0得到；进给方向f表示为：

24、

25、公式(1)中，(xp,yp,zp)和(xp+1,yp+1,zp+1)表示两相邻刀位点处刀尖点的坐标，通过利用三维软件编程时将刀轴倾角设置为0生成的cl文件得到，横向进给方向c由薄壁件表面法向矢量n和进给方向f叉乘得到。

26、作为本发明的进一步限定，所述步骤三中所述五轴切削稳定性预测模型的构建包括：

27、将球头刀沿轴向离散成高度为δz的离散微元，建立频域中的切削系统动力学方程：

28、

29、公式(2)中，δa为沿曲面法线方向的微元切削深度，γ为刀轴矢量和薄壁件表面法向量间的夹角，m为参与切削离散微元数量，τ表示齿间周期，表示球头刀坐标系下球头刀和薄壁件之间的相对频率响应函数；

30、

31、其中，kl,tc、kl,rc和kl,ac表示第l个切削刃微元对应的切削力系数，θl,st和θl,ex表示第l个切削刃微元对应的切入-切出角；

32、球头刀刚性最弱点px1和py1处的相对频率响应函数可以表示为：

33、

34、公式(3)中，

35、

36、其中，φt,x,j和φt,y,j分别表示球头刀x和y方向的第j阶模态振型；ωn,t,x,j和ωn,t,y,j分别表示球头刀x和y方向的第j固有频率；ξt,x,j和ξt,y,j分别表示球头刀x和y方向的第j阶阻尼比；ω表示输入激励的频率。

37、作为本发明的进一步限定，所述步骤四中通过所述五轴切削稳定性预测模型获得极限切削深度，依据所述极限切削深度绘制薄壁件稳定切削叶瓣图，包括：

38、计算极限切削深度，若切削动力学方程具有非平凡解，则：

39、det|i-λ(x,z,α,β,iω)φ(x,z,α,β,iω)|＝0，其中，

40、

41、公式(4)中，φ(x,z,α,β,iω)表示矩阵φ(x,z,α,β,iω)的大小，ω为颤振频率，对于每个颤振频率ω，所述五轴切削稳定性预测模型中切削系统动力学方程具有三个不同的特征值，对每个特征值计算极限切削深度，使用最小正极限深度绘制稳定性叶瓣图。

42、作为本发明的进一步限定，所述步骤四中基于二元搜索算法的策略计算极限切削深度，包括：

43、(1)选择一个较小的切削深度a1，计算cwe，计算得到稳定极限切削深度b1，选择大于稳定极限切削深度b1的最小切削深度a2；

44、(2)令l＝a1，u＝a2，m＝(a1+a2)/2，允许误差ε＝1×10-2mm，对于切削深度m，计算得到的稳定极限切削深度为b，并且a1＜b＜a2；

45、(3)比较切削深度m和稳定极限切削深度b的大小：

46、如果b＜m，并且m-b＜ε，则b＝b，循环终止；

47、如果b＜m，并且m-b＞ε，令u＝m，如果b＞l，令l＝b，对于切削深度m＝(l+u)/2，计算得到稳定极限切削深度b，转到(3)；

48、如果b＞m，并且m-b＜ε，则b＝b，循环终止；

49、如果b＞m，并且b-m＞ε，令l＝m，如果u＞b，令u＝b，对于切削深度m＝(l+u)/2，计算得到稳定极限切削深度b，转到(3)。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

51、1、本发明基于二分搜索算法的策略计算极限切削深度，构建薄壁件切削位置与刀轴倾角的薄壁件五轴加工切削稳定性预测模型，生成稳定切削参数，有效的抑制薄壁件五轴铣削过程中的切削振动。

52、2、本发明同时考虑了薄壁件切削位置和球头刀刀轴矢量对铣削稳定性的影响，建立薄壁件球头铣削工件-刀具双柔性系统的五轴切削稳定性预测模型，能够准确地预测铣削切削稳定性。

53、3.本发明基于单频法提出基于二分搜索算法的策略来计算极限切削深度，提高了稳定极限切削深度计算效率。本发明能够生成稳定切削参数，有效的抑制薄壁件多轴加工过程中的切削振动。

技术特征：

1.一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤一具体为：

3.根据权利要求2所述的一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法，其特征在于，所述通过所述有限元模型的仿真计算和所述模态振型的模态测试获得切削动力学参数，包括：

4.根据权利要求1所述的一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤二具体为：

5.根据权利要求4所述的一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法，其特征在于，基于进给坐标系确定进给方向、横向进给方向、薄壁件表面法线方向、前倾角、侧倾角、薄壁件表面法向矢量，包括：

6.根据权利要求1所述的一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤三中所述五轴切削稳定性预测模型的构建包括：

7.根据权利要求1所述的一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤四中通过所述五轴切削稳定性预测模型获得极限切削深度，依据所述极限切削深度绘制薄壁件稳定切削叶瓣图，包括：

8.根据权利要求1或7所述的一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤四中基于二元搜索算法的策略计算极限切削深度，包括：

技术总结
本发明提供了一种薄壁件球头刀五轴铣削稳定性预测方法，包括：建立薄壁件的有限元模型，获取薄壁件的模态振型，确定薄壁件的任意切削位置的切削稳定性；确定五轴铣削加工的坐标单元；基于薄壁件的切削稳定性位置、球头刀和坐标单元构建五轴切削稳定性预测模型；通过五轴切削稳定性预测模型获得极限切削深度，依据极限切削深度绘制薄壁件稳定切削叶瓣图，基于二元搜索算法的策略计算极限切削深度；基于薄壁件稳定切削叶瓣图选择壁件球头刀五轴铣削加工时切削参数。本发明基于二分搜索算法的策略计算极限切削深度，构建薄壁件切削位置与刀轴倾角的薄壁件五轴加工切削稳定性预测模型，生成稳定切削参数，有效的抑制薄壁件五轴铣削过程中的切削振动。

技术研发人员：王大振,李琪,厍黎明,李阳帆,邱飞,宋天宇,李卫东,宋军,周峰,全鑫
受保护的技术使用者：西安航天动力测控技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23