[发明专利]螺旋铣孔过程中切削力预报和稳定性判别方法

说明书

技术领域

本发明涉及螺旋铣孔加工技术，具体地，涉及一种螺旋铣孔过程中切削力预报和稳定性判别方法。

背景技术

在航空航天领域，叠层构件装配中制孔数量多、难度大、要求高、工作繁重。传统“钻-扩-铰”的复杂工序流程，加工稳定性差、作业效率低。因此，一种新型的高效高精度制孔技术—螺旋铣孔应运而生。螺旋铣孔过程中刀具自转的同时围绕着孔中心轴线做公转运动并保持轴向进给。这种特殊的运动方式决定了螺旋铣孔的优势：

1、突破了传统钻孔技术中一把刀具加工同一直径孔的限制，实现了单一刀具加工出不同直径的孔和复杂的台阶孔，并可对孔径实施在线补偿。因此，采用螺旋铣孔工艺可以有效减少换刀次数、提高加工效率；

2、螺旋铣孔是断续切削，不仅排屑容易，而且有利于刀具散热，可降低刀具因热量积累而造成的高温磨损现象，可提高刀具的使用寿命。另外，整个铣孔过程可采用微量润滑甚至空冷方式来实现冷却，属绿色加工范畴；

3、螺旋铣孔的轴向力远远小于传统钻孔，使得制孔有良好的出口质量。另外，加工过程中排屑空间大，能够有效防止切屑对已加工表面的损害，有利于提高制孔质量。

然而，螺旋铣孔过程中刀具侧刃和底刃同时参与切削，其加工机理比较复杂。为了在保证加工精度及加工质量的前提下，最大限度地提高材料去除率，这就需要合理选择加工工艺参数。切削力是铣削加工过程中的一个非常重要的物理量，其大小直接影响加工状态和加工表面质量。切削过程的稳定性分析有助于选取合理的加工参数从而有效避免再生颤振的发生，实现加工过程平稳运行。因此，开展螺旋铣孔加工切削力学与动力学建模具有十分重要的意义。

文献“Z.Li,Q.Liu,X.Ming,X.Wang,Y.Dong,Cuttingforcepredictionandanalyticalsolutionofregenerativechatterstabilityforhelicalmillingoperation,Int.J.Adv.Manuf.Technol.73(2014)433–442.”和文献“C.Liu,G.Wang,M.S.Dargusch,MechanicsandDynamicsofHelicalMillingOperations,Vestnik-JournalMech.Eng.60(2014)716–724.”同时建立了螺旋铣孔切削力预报模型和加工颤振预报模型。在切削力预报方面，两者考虑了底刃切削力，但忽略了底刃切削力系数与侧刃切削力系数的差异，另外，两者的未变形切厚计算均基于经典正弦函数积假设，这直接限制了其切削力预报精度。在加工颤振预报方面，前者直接忽略了z向的颤振，后者虽然考虑了z向的再生效应，但其将x，y向和z向分作两个子系统来考虑，忽略了x，y向和z向的耦合效应。因此，两者稳定性判定的精度皆难以得到保证。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种螺旋铣孔过程中切削力预报和稳定性判定方法。

根据本发明提供的螺旋铣孔过程中切削力预报和稳定性判定方法，包括如下步骤：

步骤1：根据已知的待加工孔直径D_B、深度L_B、刀具直径D_t、刀齿数N、主轴转速n、切向每齿进给f_zt以及轴向螺距a_p生成螺旋铣加工刀路；

步骤2：基于刀齿轨迹圆弧假设，跟据相距一个每齿进给的两个刀位处的刀具几何位置关系，得到刀齿切入角、切出角及未变形切厚的解析计算表达式；

步骤3，采用三轴单齿铣削实验标定得到切向r、径向t及轴向a的侧刃铣削力系数，包括剪切力系数K_S,qc(q＝r,t,a)和犁切力系数K_S,qe(q＝r,t,a)；采用多次不同进给的三轴插铣实验，基于线性回归法拟合得到切向r、径向t及轴向a的底刃铣削力系数，包括剪切力系数K_B,qc(q＝r,t,a)和犁切力系数K_B,qe(q＝r,t,a)；

步骤4，将步骤2中得到的刀齿的切入角、切出角和未变形切厚的计算值、步骤3中标定的侧刃切削力系数和底刃铣削力系数，代入二元切削力模型计算得到侧刃的切向铣削力、径向铣削力、轴向铣削力和底刃的切向铣削力、径向铣削力、轴向铣削力；然后将侧刃的切向铣削力、径向铣削力、轴向铣削力和底刃的切向铣削力、径向铣削力、轴向铣削力的坐标变换到工件坐标系下的X、Y、Z轴方向，两者求和即得螺旋铣孔过程中瞬态切削力；