一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法.pdf

本发明提供了一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法，其能在保证柔性结构件加工稳定性的同时保证加工精度。将工件安装于柔性工件加工实验装置形成柔性工件系统，然后按以下步骤进行工艺参数优化：（1）获取柔性工件系统的模态参数；（2）根据柔性工件系统的模态参数，进行切削动力学建模；（3）利用时域数值方法获取铣刀切削柔性工件系统的稳定域边界；（4）采用柔性工件加工实验装置进行切削试验对切削动力学建模进行验证；（5）以机床主轴切削材料去除率最大化和工件振动最小化为优化目标，以稳定域边界为约束条件，建立柔性结构件铣削参数优化模型，通过非线性优化算法来获得优化后的机床主轴转速和切深。

1.  一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法，其特征在于：首先搭建一套柔性工件加工实验装置，将工件安装于所述柔性工件加工实验装置从而形成一个柔性工件系统，然后按以下步骤进行工艺参数优化：
（1）获取所述柔性工件系统的模态参数，所述模态参数包括模态质量、模态阻尼和模态频率；
（2）根据所述柔性工件系统的模态参数，进行切削动力学建模，建立刀具几何参数、所述柔性工件系统的模态参数、机床主轴转速、工件的振动位移对刀刃瞬时切厚、切入切出角以及切削力的函数关系；
（3）利用时域数值方法获取铣刀所述切削柔性工件系统的稳定域边界：根据所述步骤（2）确定的函数关系，基于时域数值仿真和数值积分法来综合求解，并以稳态振动位移与设定值比较为判稳条件，求解铣削稳定域的边界；
（4）采用所述柔性工件加工实验装置进行切削试验对所述切削动力学建模进行实验验证；
（5）以机床主轴切削材料去除率最大化和工件振动最小化为优化目标，以所述稳定域边界为约束条件，建立柔性结构件铣削参数优化模型，通过非线性优化算法来获得优化后的机床主轴转速和切深。

2.  根据权利要求1所述的一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法，其特征在于：所述柔性工件加工实验装置包括一双板支承的柔性铰链机构以及与信号采集工控机相连的非接触加工位移传感系统。

3.  根据权利要求2所述的一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法，其特征在于：所述获取所述柔性工件系统的模态参数的具体过程为，以脉冲实验力作为激励输入信号，以粘贴在工件上的加速度信号为振动输出，通过传统函数计算获取所述柔性工件的所述模态参数。

4.  根据权利要求3所述的一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法，其特征在于：所述步骤（3）的具体过程为，采用时域数值方法对所述柔性工件系统响应进行输出仿真，首先将整个输出时间段进行离散化，在单个时间步内进行计算和位移、切入切出边界的更新，将输出的稳态位移和设定值作对比，当仿真输出值大于设定值时认为所述柔性工件系统不稳定，当仿真输出值小于设定值时认为所述柔性工件系统稳定，以此来获得整个转速-切深参数平面内的稳定域。

5.  根据权利要求4所述的一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法，其特征在于：所述单个时间步进行计算和位移、切入切出边界的更新流程为：依次进行切厚计算、切削力计算、振动位移计算、切入切出边界计算以及开关函数计算，所述开关函数计算结果返回至所述切削计算进行循环迭代计算，所述每一次振动位移计算输出后对位移、切入切出边界进行更新。

6.  根据权利要求3所述的一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法，其特征在于：所述步骤（4）的具体过程为，利用激光位移传感器对所述柔性工件系统的位移信息和主轴转速进行同步采集，获取真实转速下的工件振动位移；对所述工件位移采用相图法进行判稳分析，当位移相图为点时系统判为稳定，当位移相图为极限环时系统判为不稳定。

一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法
技术领域
本发明涉及计算机数控加工技术领域，尤其是涉及数控铣削加工工艺参数优化领域，具体为一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法。
背景技术
在航空、航天以及能源等领域，柔性薄壁结构零件的应用非常广泛，零件的加工精度和加工效率很大程度上依赖于加工参数的合理选择。为了达到柔性结构零件高效精密的加工要求，不仅需要确保加工过程稳定性，即不发生颤振，还需要保证零件的加工精度和低成本。
现有的柔性结构件加工工艺参数优化方法主要基于常数边界的加工动力学模型（Altintas Y, Budak E. Analytical Prediction of Stability Lobes in Milling. CIRP Annals-Manufacturing Technology. 1995;44(1):357-62.），在动力学建模过程中将铣刀刀刃切入切出角当做恒定的常数，即不考虑切削振动对其影响，利用基于摄动假设将切厚动态变化量导致的切削力瞬态分量看做是额定激励的高阶小量，从而在稳定性分析中忽略额定激励导致的切削力稳态量，以切削力瞬态分量的稳定性来判断切削过程是否稳定。以该建模方法获取的稳定性以及基于此稳定性进行的参数优化在刚性大的工件切削过程有较好的预报结果，但是在柔性结构加工过程中往往误差较大，究其原因是由于柔性结构零件由于其结构刚度较低，在切削过程中振动较大，振动位移大大改变实际刀刃的切入切出角，从而无法对真实的工况进行准确地建模，因此获得的稳定性以及工艺参数不是真实的优化值，可能导致高幅值振动乃至颤振，难以实现柔性结构零件的高效、精密加工。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法，其能在保证柔性结构件加工稳定性的同时保证加工精度，从而实现柔性结构件的精密、高效加工。
一种柔性结构件铣削加工的工艺参数优化方法，其特征在于：首先搭建一套柔性工件加工实验装置，将工件安装于所述柔性工件加工实验装置从而形成一个柔性工件系统，然后按以下步骤进行工艺参数优化：
（1）获取所述柔性工件系统的模态参数，所述模态参数包括模态质量、模态阻尼和模态频率；
（2）根据所述柔性工件系统的模态参数，进行切削动力学建模，建立刀具几何参数、所述柔性工件系统的模态参数、机床主轴转速、工件的振动位移对瞬时切厚、切入切出角以及切削力的函数关系；
（3）利用时域数值方法获取铣刀所述切削柔性工件系统的稳定域边界：根据所述步骤（2）确定的函数关系，基于时域数值仿真和数值积分法来综合求解，并以稳态振动位移与设定值比较为判稳条件，求解铣削稳定域的边界；
（4）采用所述柔性工件加工实验装置进行切削试验对所述切削动力学建模进行实验验证；
（5）以机床主轴切削材料去除率最大化和工件振动最小化为优化目标，以所述稳定域边界为约束条件，建立柔性结构件铣削参数优化模型，通过非线性优化算法来获得优化后的机床主轴转速和切深。
其进一步特征在于：
所述柔性工件加工实验装置包括一双板支承的柔性铰链机构以及与信号采集工控机相连的非接触加工位移传感系统；
所述获取所述柔性工件系统的模态参数的具体过程为，以脉冲实验力作为激励输入信号，以粘贴在工件上的加速度信号为振动输出，通过传统函数计算获取所述柔性工件的所述模态参数；
所述步骤（3）的具体过程为，采用时域数值方法对所述柔性工件系统响应进行输出仿真，首先将整个输出时间段进行离散化，在单个时间步内进行计算和位移、切入切出边界的更新，将输出的稳态位移和设定值作对比，当仿真输出值大于设定值时认为所述柔性工件系统不稳定，当仿真输出值小于设定值时认为所述柔性工件系统稳定，以此来获得整个转速-切深参数平面内的稳定域；
所述单个时间步进行计算和位移、切入切出边界的更新流程为：依次进行切厚计算、切削力计算、振动位移计算、切入切出边界计算以及开关函数计算，所述开关函数计算结果返回至所述切削计算进行循环迭代计算，所述每一次振动位移计算输出后对位移、切入切出边界进行更新；
所述步骤（4）的具体过程为，利用激光位移传感器对所述柔性工件的位移信息和主轴转速进行同步采集，获取真实转速下的工件振动位移；对所述工件位移采用相图法进行判稳分析，当位移相图为点时系统判为稳定，当位移相图为极限环时系统判为不稳定。
由于本发明中考虑了柔性结构零件切削振动位移对切入切出角变化的影响，更加符合真实的工况，提高了柔性结构件加工稳定性预报的准确性；本发明以工件的振动位移幅值的大小来判稳，符合实际工况可操作性条件，对于切削颤振实时监测具有很大的便捷性。利用本发明所提的方法，不仅可保证柔性结构零件加工过程的稳定性，还能保证零件加工过程中具有较小的绝对振幅，即具有较高的加工精度。在同时满足加工稳定性和加工精度的参数范围内对主轴转速和工件振动最小化进行优化选取，可保证柔性结构零件的无颤振高效精密加工。
附图说明
图1为本发明中柔性工件加工实验装置示意图；
图2-1为本发明实施例中柔性工件系统的频响函数图；
图2-2为本发明实施例中刀具系统的频响函数图；
图3为本发明实施例中切入角随工件位移振动的变化示意图；
图4为本发明实施例的单个时间步的时域计算输出仿真流程示意图；
图5为本发明实施例的柔性结构件铣削稳定域与实测对比图；
图6-1为本发明实施例中失稳点的位移和相图；
图6-2为本发明实施例中稳定点参数点处的位移和相图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的接受方案作进一步的详细描述，但本实施例并不用于限制本发明。
本发明实施例采用的柔性工件加工实验装置如图1所示，将工件1安装在双板支承的铰链柔性实验装置2顶部，然后将整个柔性工件-支承系统安装在机床工作平台4上，其中柔性铰链支承板的结构参数为：板厚度5mm，高、宽分别为100mm。选取超细晶粒硬质合金两齿平底立铣刀5为加工刀具，铣刀直径8mm，螺旋角30°，铣刀悬长30mm。采用激光位移传感器对柔性工件系统和转速进行同步采集，获取真实转速下的工件振动位移。
按照本发明的方法进行柔性结构工件系统切削加工参数优化，其步骤为：
1. 将加速度传感器粘贴在工件上，用脉冲锤激励工件系统，将激励力信号和加速度信号进行同步采集，获取柔性工件系统的传递函数；采用相同的实验模态测试过程对刀具系统进行频响函数的采集和刀尖模态参数的拟合。工件系统的频响函数以及刀具系统的频响函数如图2-1、图2-2所示。由图2-1、2-2可知，刀具系统的刚性比工件系统的刚性高两个数量级，因此刀具被认为是刚性的，采用有理分式多项式拟合算法分别获取工件模态参数为：工件想模态质量为8kg，模态阻尼为3060N·s/m，模态刚度为165820000 N/m；
2. 建立柔性工件铣削动力学方程，即刀具几何参数、工件系统的模态参数、机床主轴转速、工件的振动位移对瞬时切厚、切入切出角以及切削力的函数关系：

在上述模型中，y为振动位移，f_z为名义每齿进给，τ = 60 / (N·n)为单个刀齿的切削周期，n为转速，N为铣刀齿数。g_j为开关函数，由切入切出角来决定其取值：

可以看出，切削过程中工件的大幅振动，将影响切入切出角值，如图3所示，从而影响开关函数和切削力，使得上述系统不再具有周期性，因此对系统的输出响应将采用时域数值法进行求解。
3. 采用数值方法对系统响应进行输出仿真：首先将整个输出时间段进行离散化，在每个小时间段内进行计算和位移、切入切出边界的更新，单个时间步的计算流程如图4所示，将输出稳态位移和设定值做对比，当仿真输出值大于设定值，认为系统不稳定；当仿真输出值小于设定值时，认为系统稳定，以此来获得整个转速-切深参数平面内的稳定域。
4. 采用柔性铰链支承系统实验装置进行切削试验对上述模型进行实验验证。采用激光位移传感器3对柔性工件系统和转速进行同步采集，获取真实转速下的工件振动位移。对工件位移采用相图法进行判稳分析，当位移相图为点时，系统是稳定；当位移相图为极限环时，系统是不稳定的。本实施例中对转速为2000-7800转/分钟，切深为0-2mm内的参数平面域内的预报稳定边界进行部分参数点测试，并与传统模型预报的稳定域边界进行对比，如图5所示，图5中的不可行区域包含了颤振失稳参数点和高振幅参数点；可以看出，本发明中所提新模型预报的稳定域边界与实测数据吻合地很好，相对传统模型预报的稳定域边界来说，不仅排除了不稳定的点，而且能够保证切削振幅保持在一定的范围内，即保证了柔性结构零件的加工精度。
5. 优化材料去除率和加工精度，在动力学方程中，可由

求解出振动位移y和某转速下的切深极限a_p，振动位移直接影响加工精度，建立材料去除率和加工精度的优化模型
min{-a_p·n·a_r·N·f_z}
s.t. y≤y₀, l(m,c,k,N,f_z,K_t,K_r, y₀)≤ 1.05.
在上述优化模型中，优化目标为机床切削用量最大化，以稳定域边界和工件设定振幅为约束条件，该条件给出了机床主轴转速和切深极限的隐式函数关系。通过非线性优化算法可求解出优化后的主轴转速和切削深度，优化模型求解得到的结果如图6所示，转速和切深参数分别为7766rpm和1.5mm，利用该参数点加工测得的其振幅及相图曲线是稳定的。选取传统稳定域分析稳定域最高的区域内的参数点4205rpm，1.5mm进行对比分析，由实验结果表面该参数点的振幅很大，相图分析表明其发生了不稳定极限环。
采用本方面获得的加工参数，在薄壁件加工过程中不仅能保证加工稳定，还能保证加工精度。