兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (2): 516-526.doi: 10.12382/bgxb.2022.0673
收稿日期:
2022-07-26
上线日期:
2024-02-29
通讯作者:
基金资助:
QIN Guohua1,2,*(), LOU Weida2, LIN Feng1, XU Yong1
Received:
2022-07-26
Online:
2024-02-29
摘要:
再生效应引起的铣削颤振,是制约加工效率和工件质量的主要因素之一。准确高效地识别铣削颤振的稳定域,是抑制颤振、提高生产效率的关键步骤。为此,根据铣削振动微分方程,利用柯特斯积分法(Cotes Integration Method,CIM)提出一种新的铣削稳定域预测方法。利用CIM获得主轴转速-轴向切深平面二维稳定性叶瓣图(Stability Lobe Diagram,SLD),与半离散法(Semi-discretization Method,SDM)和全离散法(Full-discretization Method,FDM)等方法进行比较,结果表明CIM的收敛性更优。考虑径向切深的影响,建立三维SLD的迭代计算方法,通过等效地离散三维SLD曲面为节点集合,随机以90%的节点作为训练集,构建轴向切深与主轴转速、径向切深之间的神经网络预测模型。10%验证集的预测结果表明神经网络的预测误差不超过6%。以材料去除率为效率目标,刀具寿命为成本目标,建立稳定铣削多目标优化模型并应用基于分解的多目标进化算法(Multiobjective Evolutionary Algorithm Based on Decomposition, MOEA/D)求解,为获得高效率、低成本的最优铣削参数提供基础理论和技术支撑。
中图分类号:
秦国华, 娄维达, 林锋, 徐勇. 基于Cotes求积法和神经网络的稳定域判断及铣削参数优化新方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 516-526.
QIN Guohua, LOU Weida, LIN Feng, XU Yong. A Novel Method of Stability Judgment and Milling Parameter Optimization Based on Cotes Integration Method and Neural Network[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(2): 516-526.
参数 | 数值 |
---|---|
阻尼比ζ | 0.011 |
固有圆频率ωn/Hz | 922×2π |
刀具模态质量mt/kg | 0.03993 |
切向切削力系数Kt/(N·m-2) | 6×108 |
径向切削力系数Kr/(N·m-2) | 2×108 |
铣刀齿数N | 2 |
铣刀直径D/mm | 19.05 |
径向切深ae/mm | 19.05 |
铣削方式 | 顺铣 |
表1 单自由度铣削系统参数
Table 1 One-DOF milling system parameters
参数 | 数值 |
---|---|
阻尼比ζ | 0.011 |
固有圆频率ωn/Hz | 922×2π |
刀具模态质量mt/kg | 0.03993 |
切向切削力系数Kt/(N·m-2) | 6×108 |
径向切削力系数Kr/(N·m-2) | 2×108 |
铣刀齿数N | 2 |
铣刀直径D/mm | 19.05 |
径向切深ae/mm | 19.05 |
铣削方式 | 顺铣 |
参数 | 数值 |
---|---|
模态阻尼c/(N·s·m-1) | 18.16 |
固有频率ωn/Hz | 1423 |
模态质量mt/kg | 0.029 |
模态刚度/(106N·m-1) | 2.31 |
切向切削力系数Kt/(108N·m-2) | 13.85 |
径向切削力系数Kr/(108N·m-2) | 11.65 |
铣刀齿数N | 3 |
铣刀直径D/mm | 12 |
表2 两自由度铣削系统参数
Table 2 Two-DOF milling system parameters
参数 | 数值 |
---|---|
模态阻尼c/(N·s·m-1) | 18.16 |
固有频率ωn/Hz | 1423 |
模态质量mt/kg | 0.029 |
模态刚度/(106N·m-1) | 2.31 |
切向切削力系数Kt/(108N·m-2) | 13.85 |
径向切削力系数Kr/(108N·m-2) | 11.65 |
铣刀齿数N | 3 |
铣刀直径D/mm | 12 |
序 号 | 转速x1/ (r·min-1) | 径向浸入 比x2 | 轴向切深y/m | 误差/ % | |
---|---|---|---|---|---|
原始值 | 预测值 | ||||
1 | 5800 | 0.01 | 0.003788942 | 0.003698179 | 2.3955 |
2 | 5760 | 0.05 | 0.001762478 | 0.001754662 | 0.4434 |
3 | 5800 | 0.1 | 0.001344508 | 0.00130052 | 3.2716 |
4 | 2780 | 0.15 | 0.000550624 | 0.000544134 | 1.1786 |
5 | 5900 | 0.2 | 0.000649173 | 0.000624724 | 3.7663 |
6 | 3180 | 0.25 | 0.000507705 | 0.000504448 | 0.6416 |
7 | 5000 | 0.3 | 0.000367626 | 0.000358995 | 2.3478 |
8 | 4800 | 0.35 | 0.000513988 | 0.000517069 | -0.5993 |
9 | 5780 | 0.4 | 0.000525816 | 0.000498949 | 5.1096 |
10 | 4820 | 0.45 | 0.00036719 | 0.000353512 | 3.7250 |
11 | 5800 | 0.5 | 0.000340852 | 0.000330868 | 2.9290 |
12 | 2900 | 0.55 | 0.000190949 | 0.000180258 | 5.5987 |
13 | 3360 | 0.6 | 0.000141559 | 0.000140361 | 0.8458 |
14 | 3060 | 0.65 | 0.000141542 | 0.000142642 | -0.7772 |
15 | 5660 | 0.7 | 0.00027032 | 0.000270943 | -0.2305 |
16 | 3120 | 0.75 | 0.000145395 | 0.000148787 | -2.3335 |
17 | 4940 | 0.8 | 0.000115155 | 0.000111805 | 2.9092 |
18 | 3640 | 0.9 | 0.000107789 | 0.00010285 | 4.5815 |
19 | 4020 | 0.95 | 0.000129277 | 0.000131375 | -1.6234 |
20 | 5520 | 1 | 0.000115811 | 0.000116823 | -0.8742 |
表3 部分样本测试数据预测值与原始值比较
Table 3 Comparison of the predicted value of the partial sample test data with the original value
序 号 | 转速x1/ (r·min-1) | 径向浸入 比x2 | 轴向切深y/m | 误差/ % | |
---|---|---|---|---|---|
原始值 | 预测值 | ||||
1 | 5800 | 0.01 | 0.003788942 | 0.003698179 | 2.3955 |
2 | 5760 | 0.05 | 0.001762478 | 0.001754662 | 0.4434 |
3 | 5800 | 0.1 | 0.001344508 | 0.00130052 | 3.2716 |
4 | 2780 | 0.15 | 0.000550624 | 0.000544134 | 1.1786 |
5 | 5900 | 0.2 | 0.000649173 | 0.000624724 | 3.7663 |
6 | 3180 | 0.25 | 0.000507705 | 0.000504448 | 0.6416 |
7 | 5000 | 0.3 | 0.000367626 | 0.000358995 | 2.3478 |
8 | 4800 | 0.35 | 0.000513988 | 0.000517069 | -0.5993 |
9 | 5780 | 0.4 | 0.000525816 | 0.000498949 | 5.1096 |
10 | 4820 | 0.45 | 0.00036719 | 0.000353512 | 3.7250 |
11 | 5800 | 0.5 | 0.000340852 | 0.000330868 | 2.9290 |
12 | 2900 | 0.55 | 0.000190949 | 0.000180258 | 5.5987 |
13 | 3360 | 0.6 | 0.000141559 | 0.000140361 | 0.8458 |
14 | 3060 | 0.65 | 0.000141542 | 0.000142642 | -0.7772 |
15 | 5660 | 0.7 | 0.00027032 | 0.000270943 | -0.2305 |
16 | 3120 | 0.75 | 0.000145395 | 0.000148787 | -2.3335 |
17 | 4940 | 0.8 | 0.000115155 | 0.000111805 | 2.9092 |
18 | 3640 | 0.9 | 0.000107789 | 0.00010285 | 4.5815 |
19 | 4020 | 0.95 | 0.000129277 | 0.000131375 | -1.6234 |
20 | 5520 | 1 | 0.000115811 | 0.000116823 | -0.8742 |
轴向切深 ap/mm | 径向切深 ae/mm | 主轴转速 Ω/(r·min-1) | 每齿进给量 fz/mm |
---|---|---|---|
0~4 | 0~12 | 2000~6000 | 0.01~0.83 |
表4 边界条件取值范围
Table 4 Value range of boundary condition
轴向切深 ap/mm | 径向切深 ae/mm | 主轴转速 Ω/(r·min-1) | 每齿进给量 fz/mm |
---|---|---|---|
0~4 | 0~12 | 2000~6000 | 0.01~0.83 |
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