基于穩(wěn)定域仿真的切削穩(wěn)定性預(yù)測研究*

曹　力,鐘建琳

(北京信息科技大學(xué) 機電學(xué)院，北京　100192)

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基于穩(wěn)定域仿真的切削穩(wěn)定性預(yù)測研究*

曹力,鐘建琳

(北京信息科技大學(xué) 機電學(xué)院，北京100192)

摘要：文章基于穩(wěn)定域仿真建立穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)。首先根據(jù)切削穩(wěn)定性顫振機理及切削穩(wěn)定域仿真技術(shù)研究影響切削穩(wěn)定性的因素，并對穩(wěn)定性葉瓣圖進行優(yōu)化。然后在此基礎(chǔ)上建立切削加工穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)。最后通過實例說明穩(wěn)定性葉瓣圖的用途，為切削加工工藝人員提供合理的參數(shù)選擇依據(jù)。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定域仿真；切削穩(wěn)定性；穩(wěn)定性葉瓣圖

0引言

由于機床在加工時發(fā)生顫振會嚴重影響零件的質(zhì)量及降低機床的加工效率，因此必須抑制機床在加工過程中的顫振，保證機床擁有良好的切削穩(wěn)定性。在機床的實際使用過程中，通過合理選擇切削加工工藝參數(shù)防止顫振的發(fā)生，切削穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)可以為切削加工工藝人員合理選取參數(shù)提供參考。本文基于穩(wěn)定域仿真技術(shù)建立穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)來避免數(shù)控機床在加工過程中發(fā)生顫振，保證機床在穩(wěn)定切削的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮其加工性能。

1切削穩(wěn)定性顫振機理

針對機床切削加工過程中出現(xiàn)的顫振現(xiàn)象，按照以物理方式探究顫振形成的原因，可把顫振分為三種類型[1]：再生型；振型耦合型；摩擦型。其中再生型顫振在工程實際應(yīng)用中最為常見，它是指由本次切削振紋與上次切削振紋之間所產(chǎn)生的相移使刀具的切削厚度不斷發(fā)生變化，從而發(fā)生顫振。在線性理論范圍內(nèi)，一般可采用控制理論中的傳遞函數(shù)方塊圖方法求出系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。如圖1所示為再生型顫振產(chǎn)生的機理模型。

圖1　再生型顫振機理模型

2切削穩(wěn)定域仿真技術(shù)

圖2　顫振穩(wěn)定性葉瓣圖

數(shù)控機床的切削穩(wěn)定性是提高加工質(zhì)量和加工效率的重要因素[2]。對切削過程的穩(wěn)定域仿真就是通過實驗和解析法獲取穩(wěn)定性葉瓣圖，為實際工程應(yīng)用中切削參數(shù)的合理選取提供依據(jù)。穩(wěn)定性葉瓣圖可以直觀地反映出軸向切削深度與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如圖2所示。穩(wěn)定性葉瓣圖可以劃分為三個區(qū)域，其中曲線上方為顫振區(qū)，如果在切削加工時所選擇的加工參數(shù)落在此區(qū)域，就會發(fā)生顫振；直線下方為絕對穩(wěn)定區(qū)域，在此區(qū)域無論選擇主軸轉(zhuǎn)速多大，都不會發(fā)生顫振；直線與曲線之間為有條件穩(wěn)定區(qū)域，由于在實際工程應(yīng)用中不僅要滿足切削參數(shù)的選取保證切削時不發(fā)生顫振，而且往往都希望提高切削時的加工效率，所以一般是在此區(qū)域中選擇切削加工工藝參數(shù)。

3影響切削穩(wěn)定性的因素

如圖3所示，影響切削加工系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素有很多[3]。而在實際切削過程中，由于機床工作范圍內(nèi)可供選取的主軸轉(zhuǎn)速、加工要求、加工條件以及加工環(huán)境等條件已經(jīng)確定。因此，下面分析剛度、固有頻率、阻尼比對系統(tǒng)切削穩(wěn)定性的影響[4]，據(jù)此可以在機床的設(shè)計階段就考慮切削穩(wěn)定性問題。

圖3　切削穩(wěn)定性影響因素

3.1剛度對切削穩(wěn)定性影響

假定系統(tǒng)的其他模態(tài)參數(shù)相同，保持固有頻率和阻尼比不變，分別取不同的k值進行仿真。得到仿真結(jié)果如圖4，k值如表1所示。

表1　不同剛度值

圖4　剛度對顫振穩(wěn)定性的影響

仿真結(jié)果顯示，改變系統(tǒng)的剛度值之后，葉瓣圖整體上移但無橫向移動。即無條件穩(wěn)定區(qū)域的邊界值明顯提高，整個穩(wěn)定區(qū)域也明顯增大，臨界軸向切深隨之提高。

3.2固有頻率對切削穩(wěn)定性影響

假定系統(tǒng)的其他模態(tài)參數(shù)相同，保持剛度和阻尼比不變，分別取不同的ωn值進行仿真。得到仿真結(jié)果如圖5，ωn值如表2所示。

表2　不同固有頻率值

圖5　固有頻率對顫振穩(wěn)定性的影響

仿真結(jié)果顯示，固有頻率增加使得穩(wěn)定性葉瓣圖整體右移，但是每個葉瓣右移的程度不同，可以使葉瓣之間逐漸打開，明顯增加了圖中的有條件穩(wěn)定區(qū)域，但是臨界軸向切削深度值保持不變。

3.3阻尼比對切削穩(wěn)定性影響

假定系統(tǒng)的其他模態(tài)參數(shù)相同，保持剛度和固有頻率不變，分別取不同的ξ值進行仿真。得到仿真結(jié)果如圖6，ξ值如表3所示。

表3　不同阻尼比值

圖6　阻尼比對顫振穩(wěn)定性的影響

仿真結(jié)果顯示，隨著阻尼比ξ增加，穩(wěn)定性葉瓣圖的波谷和波峰均有一定程度的提升，且波谷向上提升的幅度比波峰的提升幅度大得多，也就是絕對穩(wěn)定區(qū)的上界有較大的上升。阻尼比對波峰、波谷橫向位置無影響。

3.4穩(wěn)定性葉瓣圖優(yōu)化

穩(wěn)定性葉瓣圖的優(yōu)化主要是擴大穩(wěn)定性葉瓣圖中的穩(wěn)定區(qū)域，從而為實際切削參數(shù)的選取提供更大的選擇空間。由穩(wěn)定性葉瓣圖的影響因素分析可知，工藝系統(tǒng)的剛度值、固有頻率值以及阻尼比

的增大均能夠使穩(wěn)定性葉瓣圖的穩(wěn)定區(qū)域擴大。即在機床設(shè)計階段就要盡可能提高其模態(tài)參數(shù)。

4切削穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)總體設(shè)計

4.1切削加工穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)體系架構(gòu)分析

切削穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)采用兩層客戶/服務(wù)器(C/S)結(jié)構(gòu)，切削數(shù)據(jù)庫采用三層瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu)，開發(fā)過程中引用C++、MATLAB、Access等語言。切削穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖7所示，系統(tǒng)在實現(xiàn)切削穩(wěn)定性仿真時，通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的切削參數(shù)等數(shù)據(jù)，運用切削穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)繪制出穩(wěn)定性葉瓣圖，實現(xiàn)穩(wěn)定性預(yù)測功能。

圖7　切削穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)體系架構(gòu)

基于抑制再生型顫振的發(fā)生、切削加工穩(wěn)定性條件、穩(wěn)定圖的解析及繪制方法，設(shè)計出了如圖8所示的切削加工穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)及Matlab GUI平臺，搭建了人機交互式界面。

圖8　切削加工穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

刀具信息管理模塊可以修改或儲存已經(jīng)標定好的刀具相關(guān)幾何參數(shù)，如圖9所示；工件信息管理模塊可以修改或儲存已經(jīng)標定的工件材料的相關(guān)參數(shù)，如圖10所示；加工系統(tǒng)動態(tài)特性模塊是通過繪制出頻響函數(shù)實頻圖與虛頻圖，為穩(wěn)定性葉瓣圖的繪制打下基礎(chǔ)，如圖11所示；穩(wěn)定性預(yù)測模塊是通過繪制出穩(wěn)定性葉瓣圖，為用戶提供切削加工參數(shù)選擇依據(jù)，如圖12所示。

圖9　刀具信息管理界面

(a)選擇繪制頻響函數(shù)曲線加工方式界面

(b)銑削加工頻響函數(shù)曲線界面

(a)選擇穩(wěn)定性預(yù)測加工方式界面

(b)銑削加工穩(wěn)定性預(yù)測界面

4.2切削穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求分析

切削穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求分析從數(shù)據(jù)訪問和處理的角度，明確對各類數(shù)據(jù)項需要進行的數(shù)據(jù)訪問操作。對切削加工過程中切削參數(shù)的選取作為考慮因素實體，主要包括刀具—工件動力學(xué)特性、機床、加工工藝信息等。在實際應(yīng)用過程中，切削穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)需要向加工人員提供基本參數(shù)查詢以及切削穩(wěn)定性仿真兩種功能。操作人員通過參數(shù)查詢可以得到刀具、工件的具體參數(shù)，通過穩(wěn)定性預(yù)測功能可以得到顫振穩(wěn)定域信息，從而可以合理選擇切削加工參數(shù)。如圖13所示，切削數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)流圖。

圖13　切削數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)流圖

5切削穩(wěn)定性預(yù)測的實現(xiàn)與應(yīng)用

切削穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)主要有兩方面重要的用途[5]：①用于進行切削參數(shù)的優(yōu)化，它將切削加工的穩(wěn)定區(qū)域與不穩(wěn)定區(qū)域清晰明了地表現(xiàn)出來，便于工藝人員對切削參數(shù)合理的選取避開顫振；②用于進行工藝過程的優(yōu)化，由于顫振會導(dǎo)致加工質(zhì)量下降，促使工藝人員在切削過程中采取保守的切削用量，雖然能在一定程度上避免發(fā)生顫振，但是降低了加工效率。而有了穩(wěn)定性葉瓣圖后，可以在葉瓣圖的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)選擇合理的切削用量，從而提高加工效率。如圖12所示，在切削加工穩(wěn)定性預(yù)測仿真界面中通過數(shù)據(jù)庫查詢輸入刀具參數(shù)及工件參數(shù)以及輸入振動系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)，完成這些工作之后，在界面中點擊繪制穩(wěn)定性葉瓣圖，繪制結(jié)果如圖12所示。

6結(jié)束語

數(shù)控機床在加工過程中發(fā)生顫振會嚴重影響其加工性能，本文結(jié)合穩(wěn)定域仿真技術(shù)及Matlab GUI平臺搭建切削加工穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)繪制出穩(wěn)定性葉瓣圖為加工工藝人員在切削加工過程中提供合理的切削參數(shù)選擇，從而提高機床的利用率。

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(編輯李秀敏)

Research on Cutting Stability prediction Based on the Stability Domain of Simulation

CAO Li,ZHONG Jian-lin

(School of Electromechanical Engineering,Beijing Information Science & Technology University，Beijing 100192，China)

Abstract：Stability prediction system is established based on the stability domain of simulation. First of all, factors affecting the stability of cutting are presented based on the mechanism of cutting chatter stability and cutting stability domain simulation technology, and the stability lobes diagram is optimized. Then, the machining stability prediction system is designed. Finally, an example is given to illustrate the use of stability lobes diagram, It can provide reasonable parameter selection for cutting processing technology personnel.

Key words：stability domain of simulation;cutting stability ;stability lobes diagram

中圖分類號：TH164；TG547

文獻標識碼：A

作者簡介：曹力(1989—)，沈陽人，北京信息科技大學(xué)碩士研究生，研究方向為數(shù)控技術(shù)與裝備，(E-mail)497402701@qq.com。

*基金項目：國家重大專項資助項目(2013ZX0400-1061)

收稿日期：2015-02-16；修回日期：2015-03-14

文章編號：1001-2265(2016)01-0105-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.029