[发明专利]五轴数控机床加工中球头铣刀颤振稳定域叶瓣图建模方法

说明书

五轴数控机床加工中基于精细积分的球头铣刀颤振稳定域叶瓣图建模方法，属于先进制造技术领域，包括：1)建立球头铣刀刀具‑工件动力学方程；2)求解球头铣刀刀齿上的动态切削力F_tx(t)和F_ty(t)；3)五轴数控机床平面加工过程中球头铣刀与工件的接触区域半解析建模；4)精细积分法对刀具‑工件动力学方程时域数值求解；5)叶瓣图构建。本发明将球头铣刀在单齿切削周期内视为圆弧运动，运用精细积分法对铣削系统二阶动力学方程进行高精度时域数值求解，克服传统数值求解法不能同时兼顾计算精度、计算效率和稳定性的弊端，能够构建出五轴数控机床加工过程中存在前倾角和侧倾角时的球头铣刀颤振稳定域叶瓣图。

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，涉及到五轴数控机床铣削切削过程中颤振稳定域建模方法，尤其是球头铣刀在五轴数控机床铣削切削过程中颤振稳定域叶瓣图建模方法。

背景技术

机械制造业作为国家经济增长支柱，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，迫切的需要其向高速、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，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。

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。而球头铣刀是典型的点接触加工，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。

目前，国内外还没有针对球头铣刀在五轴数控机床加工过程中的颤振稳定域叶瓣图建模方法。有部分学者对三轴数控机床上球头铣刀颤振稳定域叶瓣图建模方法进行了研究，其中具有代表性的有：李忠群等人提出的基于龙格库塔的时域求解法；Ding H等人提出的全离散时域求解法；Li Mingzhen等人提出的完全离散时域数值求解法。但是不论是龙格库塔法，全离散法，还是改进的完全离散法本质上都属于差分类方法，它们的优点是易于实现，但差分引起的误差很难从根本上消除。同时，五轴数控机床和三轴数控机床的加工方式不同，刀具姿态不同，故球头铣刀在三轴数控机床的建模方法并不能适用于其在五轴数控机床上；因此如何在更先进的五轴数控机床上对球头铣刀进行高精度的颤振稳定域叶瓣图构建将是一个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种五轴数控机床加工中基于精细积分的球头铣刀颤振稳定域叶瓣图建模方法。

本发明的技术方案为：

一种五轴数控机床加工中基于精细积分的球头铣刀颤振稳定域叶瓣图建模方法，包括以下步骤：

步骤一，建立球头铣刀刀具-工件动力学方程；

步骤二，求解球头铣刀刀齿上的动态切削力F_tx(t)和F_ty(t)；