[发明专利]基于球头铣刀与工件接触区域的颤振稳定域叶瓣图建模方法

说明书

基于球头铣刀与工件接触区域的颤振稳定域叶瓣图建模方法，以铣削系统二阶动力学方程的全离散时域求解法为主线，在球头铣刀单齿切削周期内是圆弧切削和时滞周期等于单齿切削周期的基础上，通过球头铣刀与工件的接触区域投影边界方程和切削刃不同时刻的投影方程，提取出在一个时滞周期内不同时刻参与切削的刀刃数目和参与切削刀刃的实际切削部位，构建出球头铣刀切削过程中颤振稳定域叶瓣图。本发明并不局限于三轴机床上平面加工，获得球头铣刀获得球头铣刀与工件的在某个刀位点接触区域，运用该方法就能构建出该刀位点的叶瓣图。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，涉及到铣削切削过程中颤振稳定域建模方法，尤其是在数控机床上球头铣刀切削过程中颤振稳定域叶瓣图建模方法。

背景技术

作为国家经济增长支柱的制造业是一个传统的领域，它已经发展了上百年，建立了比较系统的理论体系，积累了丰富的实践经验，但随着科学技术水平的提高，机械制造业面临着新的挑战，迫使机械制造技术向着高速、高效和高精度方向发展。

高速铣削加工是先进制造技术中最重要的基础技术之一，是目前最重要、应用最普遍的加工方式，然而在高速铣削过程中不合适的切削参数导致的切削颤振严重地影响到了加工效率、精度、质量以及稳定性，是制约高速铣削技术快速发展的关键因素。

国内外学者对切削颤振进行了大量探索，研究了多种颤振形成的机理，其中再生型颤振是人们认为产生切削过程中产生颤振最直接、最根本的原因。如图1所示，再生型颤振理论指出，由于机床结构振动，当刀具进行切削时，工件的已加工表面会留下表面振纹，当刀具再一次切削到这些遗留有振纹的工件表面时，瞬时切削厚度由名义切削厚度和动态切削厚度叠加组成，这种切削厚度的变化引起切削力的波动，反过来又引起切削刀具和工件之间的相对振动，使刀具和工件在切削过程中产生振动位移，从而再次在工件已加工表面留下振纹，根据前后两次振纹之间的相位差，在靠近但不等于加工系统主结构模态的颤振频率处，随着加工系统的切削厚度不断增长，造成切削力和振动位移的不断上升现象，切削力向振动系统输入能量，这种情况越来越强，就会形成强烈的自激振动，这种自激振动就是再生颤振，图2为再生颤振机理模型。

目前，避免切削颤振最有效办法是在加工前构建铣削颤振稳定域叶瓣图，即在给定切削条件下，绘制出轴向临界切削深度随主轴转速变化的函数关系。叶瓣图的构建能够为加工前切削参数的选择提供指导，可以有效防止加工中颤振的发生。

球头铣刀是典型的点接触加工刀具，具有很好的法矢自适应性，是高速铣削加工中应用最广的刀具之一，因此构造出针对球头铣刀加工过程中的稳定性叶瓣图意义重大。然而目前颤振稳定域叶瓣图建模方法如ZOA法和在它基础上发展起来的时域法主要是针对圆柱形铣刀，球头形的铣刀的方法很少，同时传统方法在建模过程中无法精准确定瞬时参与切削的刀齿数目和参与切削刀齿的实际切削部位，而只能以三轴数控机床平面加工的工件为对象进行叶瓣图构建，同时在建模过程中将铣刀切削刃的螺旋角视为零度来进行简化，这些都严重影响了叶瓣图的适用范围，降低了叶瓣图精准度。因此如何针对球头铣刀提出一种适用范围广，精准度高的颤振稳定域叶瓣图方法将是一个亟待解决的问题。

球头铣刀和工件的接触区域是指在加工过程中刀具切入工件的区域。高速铣削条件下，在单齿切削周期内，球头铣刀可以认为是圆弧切削，因此铣刀-工件接触区域蕴含着在该单齿切削周期内铣刀瞬时参与切削的刀刃数目和参与切削刀刃的实际切削部位等众多信息。

由于与球头铣刀轴线垂直的平面和铣刀球头坐标值存在一一映射关系，因此将刀具与工件的接触区域和刀齿的切削刃投影到该平面，获取单齿切削周期不同时刻的刀刃投影与接触区域投影边界的相交情况，就能够得到构建叶瓣图时所需要的球头铣刀瞬时参与切削的刀刃数目和参与切削刀刃的实际切削部位等信息。

发明内容