CN112427710B - 薄壁框环零件加工抗颤振刀具、加工方法及介质 - Google Patents

薄壁框环零件加工抗颤振刀具、加工方法及介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种薄壁框环零件加工抗颤振刀具、加工方法及介质，刀具，包括：一个或多个刃口；所述刃口的一侧为前刀面，另一侧为后刀面；在所述后刀面沿所述刃口等距离设置有凸起的凸棱1。本发明抗颤振加工刀具后刀面沿刃口等距凸起分布凸棱，在切削过程中起到减弱甚至抑制颤振的发生。凸棱制作简单，在刀具刃磨时即可完成。其中抗颤振加工方法，依据经验方程和刀具结构参数，对加工参数和刀具轴线方向进行控制，能够有效抑制颤振的发生。工艺方法简单有效，具备工程化应用条件。

Description

薄壁框环零件加工抗颤振刀具、加工方法及介质
技术领域
本发明涉及工件加工领域，具体地，涉及一种大型薄壁框环零件加工抗颤振刀具、加工方法及介质。
背景技术
大型薄壁零件是航空航天领域各类飞行器的关键产品，是结构主体框架的重要组成。由于对轻量化、高可靠性的不断追求，大型结构件通常采用锻件或者铸件整体加工形成，为达到理想的结构效率，往往存在大量刚性极差的薄壁腔、悬臂梁、筋肋等结构。
此类弱刚性结构是制约加工效率和影响加工质量的主要因素，在传统工艺设计环节通常采用设置工艺块、辅助夹具、填料支撑等方式间接提高结构刚度，使工艺***的固有频率远离切削***的激励频率，以规避加工颤振的发生。然而由于产品结构的日益复杂、质量指标的不断提高，在实际产品制造流程中，常用的提高产品刚性的工艺措施往往难以实现预期目标，甚至由于过多的工艺措施可能在装夹***中引入额外应力，导致产品出现难以控制的变形和加工表面质量恶化。这一系列质量问题将严重影响产品的载荷工况和服役指标，甚至将直接影响型号成败。总而言之，大型薄壁框环零件的加工颤振抑制一直是当前航空航天领域的关注重点和研究方向
鉴于目前在大型薄壁框环零件整体加工过程中出现的颤振和表面质量恶化等现象，开发一种能够简洁有效抑制加工颤振又能够控制表面质量的切削刀具及其加工方法已经迫在眉睫。
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薄壁框环零件加工抗颤振刀具、加工方法及介质。
根据本发明提供的一种薄壁框环零件加工抗颤振刀具，包括：一个或多个刃口；
所述刃口的一侧为前刀面，另一侧为后刀面；
在所述后刀面沿所述刃口等距离设置有凸起的凸棱1。
优选地，所述凸棱1与所述刃口之间的距离ld取决于刀具失效条件下的最大磨损量 VBmax，满足：
VBmax×tan(γn)＜hd
其中，γn为刀具的后角，所述后角为所述后刀面与切削平面间的夹角，hd为凸棱1的高。
优选地，所述刀具包括球头刀具。
根据本发明提供的一种薄壁框环零件加工抗颤振加工方法，采用上述的薄壁框环零件加工抗颤振刀具进行加工。
优选地，按照薄壁框环零件加工颤振振幅经验方程，对各个变量进行逐个控制调整：
Figure GDA0003610329060000021
其中u为零件局部颤振振幅；vc为切削速度；γ为刀具后角，采用所述薄壁框环零件加工抗颤振刀具的等效后角γe，所述等效后角为凸棱1与切削平面间的夹角；ωc为零件局部颤振频率；N为刀具转速；D为刀具直径。
优选地，所述薄壁框环零件加工抗颤振加工方法包括：
步骤S1：按照零件结构对局部颤振频率进行有限元仿真，获取加工区域各零件局部颤振频率ωc；
步骤S2：测算刀具的等效后角γe；
步骤S3：按照设计要求的最大颤振振幅umax对切削速度vc进行调整。
优选地，对切削速度vc进行调整包括：
vc＝2πND×sin(180-α-β) β∈(90-α+θ，180-α-θ)
其中α为零件型面与水平面夹角；β为刀具侧倾角，顺时针为正；θ为安全角度；N 为刀具转速；D为刀具直径；
调整原则为优先调整刀具侧倾角β，同时确保在整个切削范围内刀具摆动流畅。
优选地，若调整刀具侧倾角β后零件局部颤振振幅u任然大于最大颤振振幅umax，则对刀具转速N进行调整，以满足工艺指标。
优选地，还包括：
步骤S4：按照调整后的刀具侧倾角β，在数控加工软件中绘制刀具轴线控制辅助曲面和设定主轴调速范围，最终形成数控加工程序。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序在被处理器执行时实现上述的薄壁框环零件加工抗颤振加工方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明抗颤振加工刀具后刀面沿刃口等距凸起分布凸棱，在切削过程中起到减弱甚至抑制颤振的发生。凸棱制作简单，在刀具刃磨时即可完成。其中抗颤振加工方法，依据经验方程和刀具结构参数，对加工参数和刀具轴线方向进行控制，能够有效抑制颤振的发生。工艺方法简单有效，具备工程化应用条件。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明薄壁框环零件加工抗颤振刀具的立体图；
图2为图1中A部分的局部放大图；
图3为图2的剖视图；
图4为刀具切削过程中切削点瞬时速度计算示意图；
图5为本发明一具体实施例的产品加工区域各位置颤振频率ωc分布图；
图6为常规刀具与未优化前本发明刀具的颤振振幅对比图；
图7为常规刀具与第一次优化后本发明刀具的颤振振幅对比图；
图8为常规刀具与第二次优化后本发明刀具的颤振振幅对比图；
图9最终优化后刀具轴线变化示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1～3所示，本发明提供的一种薄壁框环零件加工抗颤振刀具，包括：一个或多个刃口2，刃口2的一侧为前刀面，另一侧为后刀面3。在后刀面3沿刃口2等距离设置有凸起的凸棱1，在切削过程中起到减弱甚至抑制颤振的发生。
进一步的，如图3所示，凸棱1的设置将常规刀具的后角γn降低至等效后角γe。等效后角的存在能够缩短后刀面与切削表面的接触距离，进而抑制颤振的振幅。同时在刀尖与凸棱之间的距离ld之间，为实际切削弧区工作区，工作后角仍然为γn以满足材料切削性要求。即等效后角γe的存在能够有效抑制颤振同时又不影响切削性能。
进一步的，凸棱距离ld的确定依赖于刀具失效条件下的最大磨损量VBmax。必须满足VBmax×tan(γn)＜hd，才能保证刀具发生磨损时凸棱与加工表面不发生划擦甚至干涉。
本实施例的本刀具参数如下：
切削材料：航空铝合金；刀具直径：16mm；刀具刃长：50mm；常规后角γn＝13°。
等效后角γe＝8°；凸棱宽度Wd＝0.1mm；最大磨损量VBmax＝0.3mm；凸棱高hd＝0.15mm；凸棱距离ld＝0.6mm。
根据本发明的另一方面，还提供一种大型薄壁框环零件抗颤振加工方法，加工对象为探月工程飞行器端框零件，零件截面视图如图4所示，产品夹角α为120°，θ为安全角度，设为10°，因此刀具侧倾角β范围为(-20°，50°)，切削点距离范围为0～60mm。产品材料为7075航空铝合金工艺要求允许最大颤振振幅umax＝100μm。刀具额定转速为 N＝8000rpm。
加工颤振抑制的本质就是对品局部振幅u的控制，按照如上方程，需对各变量进行逐个控制和调整。具体步骤如下：
步骤S1，按照产品结构对拒不颤振频率进行有限元仿真，获取加工区域各位置颤振频率ωc。具体如图5所示，
步骤S2，测算本发明刀具在凸棱状态下的等效后角γe＝8°。
步骤S3，依照工艺设计要求的最大颤振振幅umax对切削速度vc进行调整，对于球头刀具而言，切削速度涉及刀具转速N和刀具球头部分与产品的切削点(即刀具侧倾角β)。图6所示为普通加工刀具加工颤振振幅图，其中虚线为常规刀具，实线为本发明刀具，可以发现最大振幅为1004μm，而本发明刀具最大振幅为611μm，在相同参数下，普通刀具加工颤振振幅为本发明刀具的1.6倍。
进一步首先对刀具侧倾角β进行优化，优化颤振图如图7所示，其中虚线为常规刀具，实线为本发明刀具，最大振幅仅仅为122μm，已经非常接近工艺要求值，刀具侧倾角β在50°～-20°范围内线性变化，未发生剧烈变动。
进一步基于刀具转速N对加工颤振进行二次优化，优化颤振图如图8所示，其中虚线为常规刀具，实线为本发明刀具，最大振幅已经控制在100μm以内，而最低转速为6500rpm，对整体效率影响不大于10％，能够接受。
步骤S4，按照调整后的刀具侧倾角β，在数控加工软件中绘制刀具轴线控制辅助曲面(辅助曲面上切削点法向与调整后的刀具侧倾角β重合)和设定主轴调速范围，最终形成数控加工程序。刀具轴向变化示意图如图9所示。
本发明还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序在被处理器执行时实现上述的薄壁框环零件加工抗颤振加工方法的步骤。
综上所述，本发明包括一种大型薄壁框环零件加工抗颤振刀具和加工方法。其中抗颤振加工刀具后刀面沿刃口等距分布凸棱，凸棱沿后刀面凸起，在切削过程中起到减弱甚至抑制颤振的发生。凸棱制作简单，在刀具刃磨时即可完成。其中抗颤振加工方法，依据经验方程和刀具结构参数，对加工参数和刀具轴线方向进行控制，能够有效抑制颤振的发生。工艺方法简单有效，具备工程化应用条件。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种薄壁框环零件加工抗颤振加工方法，其特征在于，采用薄壁框环零件加工抗颤振刀具，包括：一个或多个刃口；
所述刃口的一侧为前刀面，另一侧为后刀面；
在所述后刀面沿所述刃口等距离设置有凸起的凸棱(1)；
所述凸棱(1)与所述刃口之间的距离ld取决于刀具失效条件下的最大磨损量VBmax，满足：
VBmax×tan(γn)＜hd
其中，γn为刀具的后角，所述后角为所述后刀面与切削平面间的夹角，hd为凸棱(1)的高；
所述刀具包括球头刀具；
采用所述的薄壁框环零件加工抗颤振刀具进行加工；
按照薄壁框环零件加工颤振振幅经验方程，对各个变量进行逐个控制调整：
Figure FDA0003610329050000011
其中u为零件局部颤振振幅；vc为切削速度；γ为刀具后角，采用所述薄壁框环零件加工抗颤振刀具的等效后角γe，所述等效后角为凸棱(1)与切削平面间的夹角；ωc为零件局部颤振频率；N为刀具转速；D为刀具直径；
所述薄壁框环零件加工抗颤振加工方法包括：
步骤S1：按照零件结构对局部颤振频率进行有限元仿真，获取加工区域各零件局部颤振频率ωc；
步骤S2：测算刀具的等效后角γe；
步骤S3：按照设计要求的最大颤振振幅umax对切削速度vc进行调整；
对切削速度vc进行调整包括：
vc＝2πND×sin(180-α-β) β∈(90-α+θ，180-α-θ)
其中α为零件型面与水平面夹角；β为刀具侧倾角，顺时针为正；θ为安全角度；N为刀具转速；D为刀具直径；
调整原则为优先调整刀具侧倾角β，同时确保在整个切削范围内刀具摆动流畅。
2.根据权利要求1所述的薄壁框环零件加工抗颤振加工方法，其特征在于，若调整刀具侧倾角β后零件局部颤振振幅u任然大于最大颤振振幅umax，则对刀具转速N进行调整，以满足工艺指标。
3.根据权利要求1所述的薄壁框环零件加工抗颤振加工方法，其特征在于，还包括：
步骤S4：按照调整后的刀具侧倾角β，在数控加工软件中绘制刀具轴线控制辅助曲面和设定主轴调速范围，最终形成数控加工程序。
4.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序在被处理器执行时实现权利要求1至3任一项所述的薄壁框环零件加工抗颤振加工方法的步骤。
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