薄板件纵扭复合超声振动铣削加工的颤振稳定性研究

发布时间：2020-06-30 11:15

【摘要】：薄壁零件具有体积小、质量轻、功能多等优点,广泛应用在航空航天结构中,但其结构复杂、刚度过弱,质量要求非常严格,精度难以达标,加工过程极易失稳造成资源浪费。传统的加工方式生产率低,部分零件甚至无法加工。超声振动铣削作为一种新兴的加工方法,有切削力小、散热快、加工精度高、刀具磨损小、易于排屑等优点。本文基于自主研发设计的纵扭复合超声振动铣削系统,针对弱刚度薄板件的刚度强化效应和加工过程的颤振稳定性展开研究。为了研究纵扭复合超声振动铣削对弱刚度薄板件加工过程稳定性提高效应,基于铣刀运动学理论,构建了刀尖轨迹三维模型,确定轨迹形状。为方便进一步研究,构建了超声振动铣削的二维椭圆刀尖轨迹,分析了超声波换能器的激振频率、超声波振幅和铣削进给速度对二维刀尖轨迹的影响规律。通过分析发现纵扭复合超声振动铣削能够提高加工过程稳定性的原因在于其超高频率的“切削-分离”的断续切削方式。为了研究薄板件纵扭复合超声振动铣削加工的刚度强化效应,基于傅里叶理论,通过推导铣削动力学方程,获得了纵扭复合超声振动铣削薄板件的等效刚度强化倍数。为了研究铣削过程中薄板等效刚度的变化,通过铣削力系数辨识方法构建了铣削力模型;通过有限元仿真方法分析了薄板变形,进行了刚度强化效应的初步计算。为了研究薄板件纵扭复合超声振动铣削加工过程的颤振稳定性,构建了双柔性体二维铣削模型,通过改进半离散法,绘制了稳定性叶瓣图。仿真分析了切削分离比、径向浸入比、薄板刚度、超声波振幅和铣削进给速度对颤振稳定性的影响规律。为了进一步研究薄板件纵扭复合超声振动铣削加工颤振稳定性,通过试验法,进行了以主轴转速、每齿进给量、轴向切削深度、径向切削深度和超声波换能器供电电压为变量,以加工过程无颤振稳定切削和加工表面质量为目标的参数优化试验和纵扭复合超声振动铣削和传统铣削的对比试验。通过对比试验验证纵扭复合超声振动铣削薄板件的刚度强化效应和较传统铣削更好的加工过程稳定性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG54
【图文】：

超声振动切削,加工方式

故最早引入到钻削、磨削和车削等单向直线振动超声振动加工的领域[3]。图1-1展示了几种较为成熟的超声振动切削加工方式，它们的应用克服了传统的加工方式中的不足，使得加工精度和质量得到明显提高。随着研究的深入，近几年超声铣削加工研究也有所发展。a) 超声振动磨削 b) 超声振动车削 c) 超声振动钻削图1-1 常见超声振动切削加工方式航空航天、模具制造、车体研发等行业是制造业的主体，随着技术水平的提高，薄板件需求日益增多[4]。此类工件结构与形状复杂，壁厚越来越小，整体刚性较差，加工过程面临的工艺挑战更大，加工过程中失稳导致的振动过大和表面质量降低是亟待解决的问题[5]。因此，对薄板件加工稳定性研究具有重要的理论意义和实用价值。图1-2为几种常见的薄板件

薄板件,肋板结构

[5]。因此，对薄板件加工稳定性研究具有重要的理论意义和实用价值。图1-2为几种常见的薄板件，其刚度低，结构复杂，传统加工方式难度大，一定程度上影响着制造业的发展。a) 下车架结构 b) 叶轮 c) 肋板结构 d) 型腔结构图1-2 典型的薄板件

【参考文献】