[发明专利]一种无颤振铣削加工表面形貌仿真方法

说明书

本发明提供了一种无颤振铣削加工表面形貌仿真方法，包括：对铣削加工系统进行动力学建模，建立多时滞微分方程动力学模型；推广GRK法构建相邻两个刀具旋转周期上的状态转移矩阵；基于Floquet定理，获取铣削加工稳定域；基于不动点定理，获取刀具旋转周期离散点处的振动位移；构建工件切削表面法向和进给方向上的铣刀切削刃运行轨迹；采用样条插值对参与工件表面创成的切削刃运行轨迹进行密化，获取工件表面形貌；根据工件表面法向切削刃运行轨迹，求取铣削表面成形误差；根据工件表面形貌，求取表面粗糙度。依据本发明获取的铣削加工表面形貌、表面成形误差值与表面粗糙度值均能与实验结果较好地吻合。

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体地，涉及一种无颤振铣削加工表面形貌仿真方法。

背景技术

铣削工件的表面形貌是加工过程中刀具与工件之间复杂交互作用的结果。无颤振稳定切削是取得良好加工表面的前提，然而，无颤振加工不等同于高质量加工，工件的表面成形误差与表面粗糙度同时受铣刀齿距、螺旋角、齿数等几何参数，刀齿跳动等工况环境，主轴转速、每齿进给、轴向/径向切深等工艺参数的影响。

目前，能够同时实现铣削稳定性分析、表面成形误差预报和表面粗糙度仿真的算法只有基于初值的时域仿真法一种(详见文献1“Schmitz,T.L.,and Smith,K.S.,2009,Machining Dynamics,Springer US,Boston,MA.”)，然而，此类方法的计算效率极低，严重限制了其在实际加工中的应用。

文献2“Niu,J.,Ding,Y.,Zhu,L.,and Ding,H.,2014,“Runge-Kutta Methods fora Semi-Analytical Prediction of Milling Stability,”Nonlinear Dyn.,76(1),pp.289–304.”提出了一种高计算精度、高计算效率的铣削稳定性分析方法，即GRK法，用于判定等齿距等螺旋角铣刀无跳动切削过程中的铣削稳定性；文献3“Niu,J.,Ding,Y.,Zhu,L.,and Ding,H.,2017,“Mechanics and Multi-Regenerative Stability of VariablePitch and Variable Helix Milling Tools Considering Runout,”Int.J.Mach.ToolsManuf.,123,pp.129–145.”将文献2中的GRK法进行推广，实现了变齿距变螺旋角铣刀考虑跳动的切削过程稳定性预报。然而，文献2和文献3均在推导过程中忽略了与再生切厚无关的切削激励项，因此无法求取铣削加工表面成形误差与表面粗糙度，也无法实现铣削加工表面形貌仿真。

专利1“CN 102490081 A 2011.11.14”、专利2“CN 103713576 A 2013.12.31”、专利3“CN 108515217 A 2018.04.09”分别提出了不同的铣削加工表面形貌仿真方法，但均属于运动学层面的表面形貌仿真，没有考虑切削振动、刀齿跳动等因素的影响。

因此，提出一种高精高效的无颤振铣削加工表面形貌仿真方法，实现铣削稳定性、表面成形误差和表面粗糙度同步预报，对于避免加工颤振、提高加工质量具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种无颤振铣削加工表面形貌仿真方法，总体思路为：通过对铣削加工系统进行动力学建模和稳定性分析获取无颤振切削参数；推广GRK法求取稳定工况下的刀具-工件相对振动位移；通过刀具-工件相对振动、刀具-工件相对进给、刀具旋转三者之间的运动综合求取铣刀切削刃的运行轨迹；最后，通过铣刀切削刃运行轨迹包络与工件毛坯的布尔减运算获取铣削加工表面形貌。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种无颤振铣削加工表面形貌仿真方法，包括如下步骤：

步骤1：对铣削加工系统进行动力学建模，建立多时滞微分方程动力学模型；