一种增材制造的减振刀具及其设计方法

1.本发明涉及一种采用增材制造的减振刀具及其设计方法，特别涉及改变刀具频率降低刀轴系统频响函数的设计方法。


背景技术：

2.文献1“duncan g,tummond m,schmitz t.an investigation of the dynamic absorber effect in high-speed machining[j].international journal of machine tools and manufacture,2005,45(4):497
–
507.”公开了一种通过调节刀具悬伸长度使得刀具与主轴-刀柄子结构固有频率匹配，进而降低整个系统频响幅值的方法。但该方法是通过实验寻找与主轴刀柄频率最匹配的刀具悬伸，实验次数多，工作量大。
[0003]
文献2“schmitz t.modal interactions for spindle,holders,and tools[j].procedia manufacturing,2020,48:457
–
465.”公开了一种通过实验测量不同刀具悬伸长度的刀尖点频响函数，进而选取最佳刀具悬伸的方法。但方法不仅需要大量的实验和错误的过程来调节刀具长度，且增加刀具悬伸之后刀具自身刚度减弱，这也使得系统的刚度下降较快，且在航空零件加工中，对于某些需要特定悬伸加工的场合该方法并不适用。
[0004]
以上文献的典型特点是：目前进行刀具与主轴频率匹配的方法都是基于实验得到，工作量大，且刀具自身刚度减弱，使得此类方法适用性受限，从而对于刀具与主轴频率匹配的理论设计方法欠缺。


技术实现要素：

[0005]
为了克服现有方法改变设计减振刀具实验量大的问题，本发明提供了一种新型改变刀具频率降低刀轴系统频响函数的设计方法。该方法首先基于动力吸振原理推导了主轴-刀柄-刀具简化系统的动力学控制方程；然后确定主轴的频响函数，接下来确定刀具及其连接界面子结构的动力学参数，将刀具与刀具-夹头的连接界面视为一个子结构，通过实验辨识刀具-夹头连接界面的动力学参数，之后根据推导的刀轴系统动力学简化模型，在刀具内部填充点阵结构，通过调整填充点阵结构的设计参数，利用有限元软件计算使得刀具与刀具-夹头连接界面子结构的固有频率与主轴-刀柄子结构主模态的固有频率接近，设计减振刀具。
[0006]
本发明实现了通过数值计算改变刀具内部填充点阵结构参数进而使得刀具频率与主轴频率一致降低刀尖处频响的方法，大幅减少了实验次数，提高了切削稳定性。其特点是包括以下步骤：
[0007]
步骤1、基于动力吸振原理对主轴-刀具组成的系统动力学简化模型进行求解：
[0008][0009][0010]
式中mh表示主轴-刀柄的模态质量，kh表示刚度，ch表示阻尼，ms表示刀具的模态质量，ks为刚度，cs为阻尼，xh和xs分别表示主轴-刀柄子结构和刀具子结构的位移，f0sinωt表
示作用在刀具上的谐波力。其中刀具的模态参数均为可变参数。
[0011]
步骤2、将步骤1中的动力学方程进行转化可以得到刀轴简化系统在拉普拉斯域下的动力学方程，
[0012][0013]
xh和xs表示主轴和刀具在拉普拉斯域中的位移。
[0014]
步骤3、将步骤2中的动力学方程进行变形整理，可得切削系统刀尖处的传递函数，如式所示：
[0015][0016]
实部和虚部分别表示为：
[0017][0018][0019]
其中，
[0020]
μ＝ms/mh，γ＝ωs/ωh，v＝ω/ωh[0021][0022][0023]
σ2＝γ2v
2-γ2+v
2-v4+γ2μv2+4ξhξsγv2[0024]
σ3＝ξhv
2-ξhγ
2-ξsγ+ξsγv2+ξhγμv2[0025]
步骤4、确定主轴-刀柄子结构的模态参数。
[0026]
步骤5、确定刀具及其连接界面子结构的动力学参数。将刀具与刀具-夹头连接界面视为一个子结构，对该连接界面动力学参数进行辨识。通过使用于识别该界面动力学特性的刀具的频响实测值与预测值之间差异最小进行确定。用刀柄装紧与刀具尺寸一致的实心杆件模型，刀柄与模型共同安装在机床上，实心杆件的直径与刀具直径保持一致，确定刀具该连接界面的参数。
[0027]
步骤6、根据步骤1提出的刀轴系统动力学简化模型，将刀具-夹头通过步骤5得到的连接界面参数固定在绝对刚性面上，计算该子结构的频响函数。
[0028]
步骤7、根据步骤4得到的机床主轴的主模态固有频率，调整刀具内部填充点阵结构的设计参数，利用有限元软件计算使得该子结构的固有频率与主轴-刀柄子结构主模态的固有频率接近，实现减振刀具的设计。
[0029]
本发明的有益效果是：该方法首先推导了基于动力吸振原理的主轴-刀具简化系统的动力学控制方程，然后获取机床主轴的频响函数；接下来确定刀具及其连接界面子结构的动力学参数，将刀具与刀具-夹头的连接界面视为一个子结构，通过实验辨识刀具-夹头连接界面的动力学参数，之后根据推导的刀轴系统动力学简化模型，在刀具内部填充点阵结构，通过调整填充点阵结构的设计参数，利用有限元软件计算使得刀具与刀具-夹头连
接界面子结构的固有频率与主轴-刀柄子结构主模态的固有频率接近，设计减振刀具。
[0030]
本发明实现了通过数值计算改变刀具内部填充点阵结构参数进而使得刀具频率与主轴频率一致降低刀尖处频响的方法，减少了实验次数，提高了切削稳定性。
[0031]
以下结合附图和实施例详细说明本发明。
附图说明
[0032]
图1是本发明主轴-刀具系统简化动力学模型示意图。
[0033]
图2是本发明新型刀具结构示意图。
[0034]
图3是本发明方法实施例中点阵刀具与实心刀具频响对比图。
[0035]
图4是本发明方法实施例中点阵刀具与实心刀具颤振稳定性对比图。
具体实施方式
[0036]
在立式数控加工中心哈挺gx710 plus上测试本发明提出的方法。刀具的具体设计参数如表1所示。利用选区激光熔化技术制造点阵刀具。将点阵刀具固定在刀柄上并与实心刀具进行减振效果对比。
[0037]
表1
[0038][0039]
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种改变刀具频率降低刀轴系统频响函数的设计方法，其特点是包括以下步骤：
[0040]
步骤1、基于动力吸振原理建立主轴-刀具简化模型，如图1所示。对主轴-刀具动力学系统简化模型进行求解：
[0041][0042][0043]
其中mh表示主轴-刀柄的模态质量，kh表示刚度，ch表示阻尼，ms表示刀具的模态质量，ks为刚度，cs为阻尼，xh和xs分别表示主轴-刀柄子结构和刀具子结构的位移，f0sinωt表示作用在刀具上的谐波力。
[0044]
步骤2、将步骤1中的动力学方程转化为拉普拉斯域下的方程，
[0045][0046]
其中，
[0047]
[0048][0049]
因此可以得到刀轴简化系统在拉普拉斯域下的动力学方程，
[0050][0051]
xh和xs表示主轴和刀具在拉普拉斯域中的位移。
[0052]
步骤3、将步骤2中的动力学方程进行变形整理，可得切削系统刀尖处的传递函数，如式所示，
[0053][0054]
实部和虚部分别表示为：
[0055][0056][0057]
其中，
[0058]
μ＝ms/mh，γ＝ωs/ωh，v＝ω/ωh[0059][0060][0061]
σ2＝γ2v
2-γ2+v
2-v4+γ2μv2+4ξhξsγv2[0062]
σ3＝ξhv
2-ξhγ
2-ξsγ+ξsγv2+ξhγμv2[0063]
步骤4、通过模态敲击实验获取实验室立式数控加工中心哈挺gx710 plus设备的主轴-刀柄的频响函数，结果可得此机床主轴-刀柄的主模态频率为1149hz。
[0064]
步骤5、确定刀具及其连接界面子结构的动力学参数。将刀具与刀具-夹头连接界面视为一个子结构，对该连接界面动力学参数进行辨识。通过使用于识别该界面动力学特性的刀具的频响实测值与预测值之间差异最小进行确定。用刀柄装紧与刀具尺寸一致的实心杆件模型，刀柄与模型共同安装在机床上，实心杆件的直径为20mm，伸出长度为63mm，材料为不锈钢316l，识别的刀具-夹头连接界面的参数如下所示。
[0065][0066]
步骤6、根据步骤2提出的刀轴系统动力学简化模型，将刀具-夹头通过步骤5得到的连接界面参数固定在绝对刚性面上，计算该假想系统的频响函数。
[0067]
步骤7、根据步骤1可得机床主轴的主模态固有频率为1149hz，通过调整刀具内部填充点阵结构的设计参数，如点阵单胞尺寸、填充比即梁直径和填充长度，利用一系列数值计算得到，当刀具内部填充的点阵结构单胞尺寸为4mm、填充长度为40mm、填充比为0.3时，该假想系统的固有频率与主轴-刀柄子结构主模态的固有频率接近。设计的具体刀具结构
如图1所示。
[0068]
步骤8、利用增材制造技术打印本发明设计的刀具。刀具材料为不锈钢316l，具体材料属性如表2所示。
[0069]
表2
[0070][0071][0072]
与传统的实心刀具相比，本实施例中的刀具在保证结构刚度的条件下，频响虚部幅值比相较于传统实心刀具降低了14％，减振效果大幅提升，对比结果如图3所示。且此设计方法只需改变刀具内部填充点阵结构参数无需通过大量实验调节刀具悬伸进行切削系统振动抑制。
[0073]
图4表示本实施例中的刀具与传统实心刀具的稳定性对比，可以看出，本实例由于采用了动力吸振原理改变刀具的固有频率使其与刀轴匹配，使得该实施例中设计的刀具稳定性临界切深为传统实心刀具的2倍，切削系统稳定性大幅提升。
[0074]
通过图3、图4中结果对比可以看出，本方法设计的刀具对于降低刀轴系统的频响，提高切削系统稳定性非常有效。

技术特征：
1.一种增材制造的减振刀具及其设计方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、基于动力吸振原理对主轴-刀具组成的系统动力学简化模型进行求解，并获取主轴-刀具动力学方程；s2、将步骤s1中的获取的动力学方程进行转化得到刀轴简化模型在拉普拉斯域下的动力学方程；s3、将步骤s2中的动力学方程进行变形整理，获取切削系统刀尖处的传递函数；s4、通过模态敲击实验获取主轴-刀柄子结构的频响函数；s5、获取刀具及刀具-夹头连接界面的动力学参数；s6、根据步骤s1提出的主轴-刀具组成的系统动力学简化模型，将刀具-夹头通过步骤s5得到的动力学参数固定在绝对刚性面上，并计算刀具-夹头连接界面的频响函数；s7、根据步骤s4得到的主轴-刀柄频响函数，调整刀具内部填充点阵结构的设计参数，利用有限元软件计算使刀具-夹头连接界面的固有频率与主轴-刀柄子结构主模态的固有频率接近，实现减振刀具的设计。s8、利用增材制造技术根据步骤s7的设计打印出减振刀具。2.根据权利要求1所述的增材制造的减振刀具及其设计方法，其特征在于：所述步骤s1中动力学方程为：中动力学方程为：式中m
h
表示主轴-刀柄的模态质量，k
h
表示刚度，c
h
表示阻尼，m
s
表示刀具的模态质量，k
s
为刚度，c
s
为阻尼，x
h
和x
s
分别表示主轴-刀柄子结构和刀具子结构的位移，f0sinωt表示作用在刀具上的谐波力。3.根据权利要求1所述的增材制造的减振刀具及其设计方法，其特征在于：所述步骤s2中刀轴简化模型在拉普拉斯域下的动力学方程为：4.根据权利要求1所述的增材制造的减振刀具及其设计方法，其特征在于：所述步骤s3中切削系统刀尖处的传递函数为：实部和虚部分别表示为：实部和虚部分别表示为：式中，μ＝m
s
/m
h
，γ＝ω
s
/ω
h
，v＝ω/ω
h
σ2＝γ2v
2-γ2+v
2-v4+γ2μv2+4ξ
h
ξ
s
γv2σ3＝ξ
h
v
2-ξ
h
γ
2-ξ
s
γ+ξ
s
γv2+ξ
h
γμv2。5.根据权利要求1所述的增材制造的减振刀具及其设计方法，其特征在于：所述步骤s7中刀具内部填充点阵结构的设计参数包括但不限于点阵单胞尺寸、填充比即梁直径和填充长度。

技术总结
本发明公开了一种增材制造的减振刀具及其设计方法，包括以下步骤：S1、基于动力吸振原理对主轴-刀具组成的系统动力学简化模型进行求解，并获取主轴-刀具动力学方程；S2、将步骤S1中的获取的动力学方程进行转化得到刀轴简化模型在拉普拉斯域下的动力学方程；S3、将步骤S2中的动力学方程进行变形整理，获取切削系统刀尖处的传递函数。本发明提供的方法首先推导了基于动力吸振原理的主轴-刀具简化系统的动力学控制方程，然后获取机床主轴的频响函数，并通过数值计算改变刀具内部填充点阵结构参数进而使得刀具频率与主轴频率一致降低刀尖处频响的方法，大幅减少了实验次数，提高了切削稳定性。切削稳定性。切削稳定性。


技术研发人员：杨昀 康甜 许凯 杨阳 万敏 张卫红
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/8/24