[发明专利]多模态耦合下的铣削稳定域预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铣削稳定域预测方法，特别涉及一种多模态耦合下的铣削稳定域预测方法。

背景技术

参照图1-2。铣削加工是最常用的金属材料成型工艺方法之一，广泛应用于各种模具、汽车零件及其航空航天零件的生产制造中。铣削过程中由于切削参数选取不合理而导致的再生颤振现象将严重影响加工精度和刀具寿命，甚至导致机床过早破坏。为了合理选取切削参数，避免颤振现象的发生，需要建立一套行之有效的稳定域预测方法。考虑实际工艺系统的复杂性，为准确表征其动力学行为，需要建立多自由度模型来预测铣削过程稳定域，从而建立多模态耦合下的稳定性预测方法。

文献1“T.Insperger,G.Stepan,Updated semi-discretization method for periodic delay differential equations with discrete delay,International Journal for Numerical Methods in Engineering 61(2004)117-141.”公开了一种在时域内采用半离散方法预测铣削稳定域的方法，该方法只适用于单延时系统，无法考虑刀具螺旋角、刀具偏心等因素对稳定域的影响。

文献2“M.Wan,W.H.Zhang,J.W.Dang,Y.Yang,A unified stability prediction method for milling process with multiple delays,International Journal of Machine Tools&Manufacture 50(2010)29-41.”公开了一种在时域内采用改进半离散方法预测多延时铣削系统稳定域（即稳定性叶瓣图）的方法，该方法可系统考虑刀具偏心、不等距齿等现象对铣削稳定域的影响。

以上关于在时域内预测铣削稳定域的文献的典型特点是：在建模过程中，为了缩短计算时间，只选取了刚性最差的单阶模态参数进行求解，没有考虑多模态耦合的影响，造成在某些转速范围内预测失真。

发明内容

为了克服现有铣削稳定域预测方法效率低的不足，本发明提供一种多模态耦合下的铣削稳定域预测方法。该方法首先通过模态测试实验测定工艺系统的传递函数，再从传递函数中提取模态参数并将其两个正交方向的模态参数按阶数进行配对组合，然后进行切削实验标定铣削力系数，之后基于铣削力系数和各阶模态参数采用改进半离散法得到各阶模态下的稳定性叶瓣图，最后由各阶模态得到的叶瓣图绘制在同一坐标系中取其最低包络线即可得到多模态耦合下的稳定域，可以提高铣削稳定域预测效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多模态耦合下的铣削稳定域预测方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、将铣刀与刀柄安装于机床主轴系统，然后采用标准冲击试验测试铣刀-刀柄-机床主轴系统的模态参数，测试得到的第j阶模态参数记为m_X,j、c_X,j、k_X,j，m_Y,j、c_Y,j和k_Y,j，下标X和Y表示在X和Y方向的测试结果，下标j表示第j阶模态参数，符号m、c与k分别表示模态质量、阻尼系数以及模态刚度。

步骤二、将步骤一测得的X方向的第j阶模态参数与Y方向第j阶模态参数组成一个组合，把该组合记为模态j；

步骤三、通过铣削实验测试铣削力，标定切向铣削力系数K_t、径向铣削力系数K_r、刀具偏心参数ρ和λ。ρ表示刀具旋转中心与刀具几何中心的偏移量，λ表示刀具偏心产生的方向与相邻最近的刀齿头部之间的夹角。

步骤四、根据铣刀几何参数以及步骤三得到的偏心参数ρ和λ，分析确定铣削系统可能出现的延时量的大小和个数，将延时量按从小到达的顺序记为N_M表示延时量的个数。

步骤五、将铣削系统在模态j下的动力学控制方程表示为：