[发明专利]型腔螺旋铣削过程中切削力预报和稳定性判别方法及系统

说明书

本发明提供了一种型腔螺旋铣削过程中切削力预报和稳定性判别方法及系统，包括：依据待加工型腔尺寸，选择加工路径参数，生成螺旋加工刀路；基于刀齿轨迹圆弧假设，对各刀位点处的加工啮合区域进行几何建模，计算得到刀齿切入切出角；基于几何建模结果建立型腔螺旋铣削切削力模型，实现型腔螺旋铣削过程中瞬态切削力的准确预报；考虑动态切厚再生效应，建立依赖于进给方向的螺旋铣削动力学方程，对沿螺旋刀具路径的代表性进给方向进行稳定性分析，从而判定型腔螺旋铣削过程的稳定性；提出基于间断伽辽金法的时域方法以提高稳定性分析的计算精度和效率。本发明实现了型腔螺旋铣削过程中切削力准确预报和稳定性判定。

技术领域

本发明涉及型腔加工技术，具体地，涉及一种型腔螺旋铣削过程中切削力预报和稳定性判别方法。

背景技术

型腔加工广泛应用于航空航天制造业、模具与汽车工业，具有材料去除量大、加工周期长的特点。传统型腔加工多采用环切法或环切法生成刀具路径，加工时会出现频繁的加减速，制约了型腔加工的效率。因此出现了一种高效的型腔加工方式—螺旋铣削。进行型腔螺旋铣削时，刀具沿着样条曲线形式的螺旋刀具路径运动去除材料，刀具运动路径光滑、加工工况变化平缓，可以有效实现高速铣削加工，提高型腔加工效率。

然而，型腔螺旋铣削过程中刀具进给方向和加工啮合区域在不断变化，其加工机理比较复杂。为了在保证加工质量的前提下，最大限度地提高材料去除率，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刀具寿命。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，开展型腔螺旋铣削切削力学与动力学建模具有十分重要的意义。

文献“Kardes,N,Altintas,et al.Mechanics and Dynamics of the CircularMilling Process.[J].Journal of Manufacturing ScienceEngineering,2007.”考虑了圆弧铣削时刀具进给方向和加工啮合区域的变化，建立了圆弧铣削切削力预报模型和加工颤振预报模型。对于圆弧铣削，刀具路径和加工轮廓都可以用隐式方程来解析表达，通过联立方程组可以得到交点的解析解，进而得到刀具与工件的加工啮合区域。然而，对于型腔加工的螺旋刀具路径，刀具路径和加工轮廓通常由参数方程表达，交点只能数值求解，这给型腔螺旋铣削过程中切削力准确预报和稳定性判定带来了巨大的挑战。

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型腔螺旋铣削过程中切削力预报和稳定性判别方法及系统。

根据本发明提供的一种型腔螺旋铣削过程中切削力预报和稳定性判别方法，包括：

刀路生成步骤：根据已知的待加工型腔形状尺寸和设定的最大跨度生成B样条曲线形式的光滑螺旋铣削加工刀路；

建模步骤：基于刀齿轨迹圆弧假设，对光滑螺旋铣削加工刀路各离散刀位点处的加工啮合区域进行几何建模；

切削力预报步骤：基于建模步骤的建模结果，建立型腔螺旋铣削切削力模型，实现型腔螺旋铣削过程中瞬态切削力的预报；

稳定性判断步骤：基于建模步骤的建模结果，考虑动态切厚再生效应，建立依赖于进给方向的螺旋铣削动力学方程，对沿螺旋刀具路径的代表性进给方向进行稳定性分析，从而判定型腔螺旋铣削过程的稳定性；

优化步骤：基于螺旋铣削动力学方程，采用基于间断伽辽金法的时域方法进行优化。

优选地，所述刀路生成步骤包括：

采用有限元法求解狄利克雷边界条件的椭圆形偏微分方程，根据设定的最大跨度生成等值闭合的场曲线，等分场曲线后生成过渡曲线，得到一组螺旋点列，利用B样条曲线拟合螺旋点列得到B样条曲线形式的光滑螺旋铣削加工刀路。

优选地，所述建模步骤包括：