薄壁结构铣削过程颤振分析及抑制研究

发布时间：2020-07-12 10:48

【摘要】：铣削加工技术作为一项常见的机械加工方法,被广泛应用于航空、航天、海洋工程等装备制造业。但是在铣削加工过程中,常常会因为选用不合理的加工参数而导致铣削颤振的发生,从而影响加工精度和生产效率。特别是对于薄壁结构而言,由于其自身刚度相对较低,在加工过程中更容易诱发颤振。为了避免和抑制铣削颤振的发生,需要系统性地探讨影响铣削系统稳定性的各种因素,建立快速有效的稳定域计算方法,发展面向工程应用的铣削颤振控制策略。目前,针对铣削颤振问题的研究工作主要集中在铣削过程稳定性分析和颤振控制两方面。通过预测加工过程的稳定域,可以为优化加工参数、避免铣削颤振的发生提供理论依据。颤振控制的研究工作则主要集中在运用主动或被动的控制方法提高加工过程的稳定域,达到无颤振铣削和提高生产效率的目的。本文围绕薄壁结构铣削加工过程中的颤振问题,从铣削力系数标定、铣削稳定性预测、薄壁结构铣削动力学分析及颤振抑制研究等几个方面开展了如下工作:第一,针对铣削过程中铣削力的预测问题,本文提出了一种可以同时标定铣削力系数及偏心参数的方法。该方法考虑铣刀的偏心效应,建立了瞬时铣削力与铣削力系数之间的数学关系,最终采用循环迭代的方法实现铣削力系数及偏心参数的标定。实验结果表明,和目前通用的平均法相比,该方法具有更高的计算精度和计算效率。第二,针对铣削过程稳定域的计算问题,本文提出了基于数值积分法的铣削过程稳定域预报方法。该方法将时滞微分方程的求解过程视为常微分方程的初值问题,在采用数值积分公式获得了相邻两个铣削周期的状态传递矩阵之后,基于Floquet理论,实现了铣削过程稳定性的预测。另外,考虑到铣削加工过程的复杂性,即使严格按照稳定域瓣图选取加工参数,也不能完全避免铣削颤振的发生。因此,针对铣削颤振的在线识别和监测问题,本文提出了基于能量集聚效应的铣削颤振监测方法。该方法以采样信号的能量熵和能量分布作为判别铣削状态的特征值,实现了铣削颤振的在线监测。第三,本文提出了基于液体粘性阻尼的铣削颤振抑制的方法。粘性液体介质对铣削系统的影响主要表现在三方面:首先,液体的粘性阻尼增加了铣削系统的系统阻尼;其次,由于粘性液体的附加质量效应导致铣削系统的固有频率减小;最后,粘性液体的润滑作用降低了铣削力系数。实验结果表明,粘性液体介质可以有效地避免和抑制铣削颤振的发生,提高加工质量和生产效率。最后,针对薄壁结构的铣削颤振问题,本文以悬臂板结构为研究对象,基于模态叠加法建立了薄壁结构铣削动力学方程,采用数值积分法计算了铣削过程的稳定域,探讨了铣刀刚度和薄壁结构截断模态对铣削系统稳定域的影响。另外,为了实现薄壁结构的铣削颤振抑制,采用将铣削系统浸入粘性液体介质的工艺方法,通过实验检验了该方法对薄壁结构铣削颤振抑制的有效性。本文针对薄壁结构铣削加工过程中颤振问题,采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的手段,分别就铣削力预测、铣削稳定性分析和颤振监测、铣削颤振控制以及薄壁结构铣削动力学分析等问题开展了深入的探讨和研究,研究结果发展和丰富了铣削动力学研究的基础理论及分析方法。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG54
【图文】：

薄壁结构,铣削加工

上海交通大学博士学位论文加工过程中铣削系统常常会失去稳定性，从而引起加工缺陷和设备故障。因此薄壁结构的铣削动力学分析和颤振控制一直以来都是亟待解决的难题。本文针对薄壁结构铣削过程中的颤振问题，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的手段，研究了铣削力系数及偏心参数的标定方法，提出了加工过程稳定性预测和颤振监测的方法，探讨了铣削颤振抑制的新策略，最后对薄壁结构铣削动力学问题进行了研究，分析了铣刀刚度对铣削稳定域的影响，厘清了薄壁结构的截断模态对铣削颤振的影响规律。研究结果对选取及优化铣削加工参数，控制铣削颤振的发生具有重要意义。

颤振控制,稳定性分析,铣削,铣削加工

截断模态对铣削颤振的影响规律。研究结果对选取及优化铣削加工削颤振的发生具有重要意义。图 1-1 薄壁结构铣削加工Fig.1-1 Milling process of thin-walled structure内外研究现状

切屑形态,铣削力,建模方法

第 4 页图 1-3 铣削力的建模方法Fig.1-3 Modelling approach for milling force等人[9]考虑到切削加工过程中存在加工硬化现象，提出了状剪切区代替单一剪切面，并考虑了温度对应变速率的积屑瘤形成条件的预测。对于更为复杂的三维斜角切削型施加相应的坐标变换即可获得[10]。屑接触面的摩擦是影响切削力和切屑形态的关键因素。一摩擦系数的剪切摩擦模型是模拟切削过程使用最广泛

【参考文献】