【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于薄壁件铣削加工，尤其涉及一种考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法。
技术介绍
1、薄壁件具有质量轻、长径比大等特点，广泛应用在航空航天、医疗设备、船舶等领域。但是薄壁件刚性弱、强度低，在铣削加工中极易发生颤振，颤振会影响加工表面质量、降低加工效率，严重的会引起设备故障。因此，对薄壁件铣削加工过程的稳定性状态进行准确的建模和预测是十分有必要的。
2、铣削薄壁零件所涉及的动态系统表现出位置依赖性和聚合模态特征。在铣削过程中，刀具和薄壁零件的低阶模态可以同时受到切削力的激励，从而产生模态耦合效应。此外，动态响应特性随着切割位置的变化而变化。因此，传统的单点和单模动力学模型引入了显著的近似误差。为此，可以对刀具和工件进行空间离散化，建立高维集总参数动力学模型，即具有集成模态耦合效应的铝合金薄壁零件铣削动力学和稳定性分析的多点多模态集总参数模型，来高精度地描述低刚度铣削系统的加工振动，为预测和提高薄壁零件加工的稳定性提供可靠的框架。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术不足，提供一种考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法。
2、第一方面，本专利技术提供一种考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削动力学模型，包括：构建包含进给方向切削力与径向切削力激励的初始铣削动力学模型；沿轴向离散刀具为nt个质点，沿进给方向离散薄壁件nwp个质点，获取各质点动力学参数，根据所述初始铣削动力学模型，建立进给方向不同加工位置处铣刀与薄壁
3、,
4、式中，m为笛卡尔空间内质量矩阵；c为笛卡尔空间内阻尼矩阵；k为笛卡尔空间内刚度矩阵；为t时刻振动加速度向量；为t时刻振动速度向量；为t时刻振动位移向量；为t时刻铣刀切削力向量；为轴向切削深度；为铣刀齿数；为笛卡尔空间内旋转矩阵；为判断刀齿是否处于切削状态的窗函数；为切削力系数矩阵；为t时刻铣刀第i个节点上第j个刀齿方向的旋转矩阵；t为迟滞周期。
5、进一步地，所述沿轴向离散刀具为nt个质点，沿进给方向离散薄壁件nwp个质点，获取各质点动力学参数，根据所述初始铣削动力学模型，建立进给方向不同加工位置处铣刀与薄壁件结合面的第一铣削动力学模型，以模拟离散后铣刀切削过程稳定性状态的变化趋势，包括：
6、利用有限元思想沿轴向离散刀具为nt个质点，沿进给方向离散薄壁件为nwp个质点，形成nt×nwp网格。分别获取各质点动力学参数，基于初始铣削动力学模型，构建多质点多模态-铣削动力学方程组：
7、,
8、式中，mtool为离散后刀具质量矩阵；ctool为离散后刀具阻尼矩阵；ktool为离散后刀具刚度矩阵；mwp为离散后薄壁件质量矩阵；cwp为离散后薄壁件阻尼矩阵；kwp为离散后薄壁件刚度矩阵；为离散后t时刻铣刀振动加速度向量；为离散后t时刻铣刀振动速度向量；为离散后t时刻铣刀振动位移向量；为离散后t时刻薄壁件振动加速度向量；为离散后t时刻薄壁件振动速度向量；为离散后t时刻薄壁件振动位移向量；为离散后t时刻铣刀切削力向量。离散后的铣削动力学系统中质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵与各质点动力学参数相关，将铣刀和薄壁件铣削动力学系统耦合成关于质点的整体动力学系统，耦合得到的铣刀与薄壁件结合面的第一铣削动力学模型为：
9、。
10、进一步地，所述将进给方向不同加工位置处第一铣削动力学模型中振动位移从笛卡尔空间转换为模态空间，考虑各质点低阶模态与高阶模态间的耦合效应，引入多阶模态振型矩阵修正铣削动力学模型，得到考虑模态耦合效应的第二铣削动力学模型，包括：
11、根据模态叠加理论计算振动位移向量从笛卡尔空间到模态空间的转换关系：
12、，
13、式中，表示模态空间的振动位移表达式，u表示模态振型矩阵。铣刀和薄壁件的模态振型矩阵如下式所示：
14、，
15、式中，utool表示铣刀模态振型；uwp表示薄壁件模态振型矩阵；与分别表示x方向与y方向的j阶模态振型向量。铣刀和工件的低阶模态与高阶模态耦合效应的多阶模态振型矩阵如下式所示：
16、，
17、，
18、，
19、，
20、式中，表示x方向的第i阶振型；表示y方向的第i阶振型。基于笛卡尔空间与模态空间的转换关系和模态耦合原理，多质点多模态铣削动力学表达式可改写为第二铣削动力学模型如下：
21、，
22、式中，表示模态质量矩阵；表示模态阻尼矩阵；表示模态刚度矩阵；表示模态空间中t时刻振动加速度；表示模态空间中t时刻振动速度；表示模态空间中t时刻振动位移；ap表示轴向切削深度；u表示整体模态振型矩阵；ut表示整体模态振型矩阵的转置；uwp表示薄壁件模态振型矩阵；表示薄壁件模态振型矩阵的转置；utool表示铣刀模态振型；表示铣刀模态振型矩阵的转置；表示t时刻第i个刀齿第j个微元的铣削力系数矩阵。
23、第二方面，本专利技术提供一种考虑模态耦合效应的薄壁件铣削稳定性预测方法，包括：计算铣刀螺旋角作用在刀齿与薄壁件微元切削面时的瞬时切入角与切出角变化；根据所述第二铣削动力学模型，建立具有周期性时滞的状态空间方程；根据离散化的状态空间方程周期性时滞项，构建重构牛顿-科特斯拟合公式，计算传递矩阵；基于所述传递矩阵进行缩减降维，配置三维稳定性叶瓣图绘制方法，对铣削稳定性进行预测。
24、进一步地，所述计算铣刀螺旋角作用在刀齿与薄壁件微元切削面时的瞬时切入角与切出角变化，包括：根据刀齿与薄壁件微元切削面上的螺旋角，构建瞬时切削角度模型如下式：
25、，
26、式中，表示t时刻的瞬时切削角度；ω表示主轴转速；i表示第i个刀齿；j表示沿铣刀轴向离散的第j个微元；m表示铣刀轴向离散数；nf表示铣刀齿数；ap表示轴向切削深度；β表示铣刀螺旋角；d表示铣刀直径。
27、进一步地，所述根据所述第二铣削动力学模型，建立具有周期性时滞的状态空间方程，包括：令
28、，
29、则考虑模态耦合效应的第二铣削动力学模型可以转化为状态空间表达式，如下式：
30、，
31、式中，表示状态变量；表示模态空间中t时刻振动速度；表示模态空间中t时刻振动位移；表示状态变量的一阶导数；a0表示状态矩阵；b(t)表示观测矩阵；ap表示轴向切削深度；表示模态质量的逆；表示模态刚度；表示模态阻尼；i表示单位矩阵；u表示整体模态振型本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，所述构建包含进给方向切削力与径向切削力激励的初始铣削动力学模型的步骤具体包括：
3.根据权利要求2所述的考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，所述沿轴向离散刀具为Nt个质点，沿进给方向离散薄壁件为Nwp个质点，获取各质点动力学参数，根据所述初始铣削动力学模型，建立进给方向不同加工位置处铣刀与薄壁件结合面的第一铣削动力学模型，以模拟离散后铣刀切削过程稳定性状态的变化趋势的步骤具体包括：
4.根据权利要求3所述的考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，所述将所述第一铣削动力学模型中振动位移从笛卡尔空间转换为模态空间，考虑各质点低阶模态与高阶模态间的耦合效应，引入多阶模态振型矩阵修正所述第一铣削动力学方程，得到考虑模态耦合效应的第二铣削动力学模型的步骤具体包括：
5.根据权利要求4所述的考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，所述计
6.根据权利要求5所述的考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，所述根据所述考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削动力学模型，建立具有周期性时滞的状态空间方程的步骤为：
7.根据权利要求6所述的考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，所述根据离散化的状态空间方程周期性时滞项，构建重构牛顿-科特斯拟合公式，计算传递矩阵的方法包括：
8.根据权利要求7所述的一种考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，所述基于所述传递矩阵进行缩减降维，配置三维稳定性叶瓣图绘制方法，对铣削稳定性进行预测的步骤包括：
...【技术特征摘要】
1.一种考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，所述构建包含进给方向切削力与径向切削力激励的初始铣削动力学模型的步骤具体包括：
3.根据权利要求2所述的考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，所述沿轴向离散刀具为nt个质点，沿进给方向离散薄壁件为nwp个质点，获取各质点动力学参数，根据所述初始铣削动力学模型，建立进给方向不同加工位置处铣刀与薄壁件结合面的第一铣削动力学模型，以模拟离散后铣刀切削过程稳定性状态的变化趋势的步骤具体包括：
4.根据权利要求3所述的考虑模态耦合效应的薄壁件多质点多模态铣削稳定性预测方法，所述将所述第一铣削动力学模型中振动位移从笛卡尔空间转换为模态空间，考虑各质点低阶模态与高阶模态间的耦合效应，引入多阶模态振型矩阵修正所述第一铣削动...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘银斌，郑军强，杜煦，丰兵华，孙建敏，胡炘洁，
申请(专利权)人：瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。