调制辅助车削过程建模与分析

发布时间：2020-09-30 18:36

　　对于数控机床、自动生产线及柔性制造系统,有效的切屑控制是充分发挥其生产能力,保证生产顺利进行的必要前提。近年来,钛合金、不锈钢等难加工材料由于其具有良好的机械性能和力学性能,在航空航天、汽车、兵器等领域中大量应用。然而,这类材料的塑性和韧性较好,其高速高效切削加工过程中往往会产生大量连续、缠乱的带状切屑。这种切屑体积大,不易清除,妨碍切削加工的正常进行,容易拉伤工件的已加工表面,甚至可能威胁到机床操作者的人身安全。因此,有效的切屑控制是这类材料切削加工时亟待解决的重要问题。调制辅助切削技术属于振动辅助切削技术的一类,其通过在传统切削的进给方向对刀具施加频率、幅值均可调制的正弦振动,将原来连续的切削过程转变为断续切削过程,使刀具和工件周期性接触与分离,并产生长度可控的断续切屑,从而实现可靠的切屑控制。此外,已有实验结果表明调制辅助切削在降低刀具温度、减小刀具磨损、调控已加工表面形貌等方面也较传统切削更具优势。然而,叠加的刀具调制使加工中的材料去除过程更加复杂,增大了其研究的难度。目前关于调制辅助切削的研究以基于实验的定性研究为主,缺乏系统、深入的基于切削过程建模的定量研究。为此,本文以调制辅助切削技术在车削中的应用为例,研究了通过刀具调制“化车为铣”,实现车削过程自动断屑的方法,并建立了表面形貌及粗糙度、切削力、刀具温度和刀具磨损率等调制辅助车削过程物理量的预测模型。进一步,以预测模型为基础,通过多目标教与学优化算法对调制辅助车削中的主要工艺参数进行多目标优化,以实现控制切屑长度、改善加工品质、降低刀具磨损率、提高加工效率等目的。本文的主要研究内容如下:研究了调制辅助车削中的运动学规律,分别对外圆车削及端面车削中叠加刀具调制后的切削轨迹进行分析,推导出统一的自动断屑判定条件。分析了断续切屑的长度及其影响因素,从而为切屑控制提供理论依据。研究了刀具调制作用下工件已加工表面的形成过程,建立了表面形貌及粗糙度预测模型,并据此分析了工艺参数对已加工表面的影响规律。开展了相关实验研究,验证了切屑长度及表面粗糙度预测模型的有效性。研究了调制辅助车削中刀具进给方向的时变规律,将一个调制周期划分为前向进给阶段和反向进给阶段,分别对应不同的加工机制。分析了两个阶段的瞬时切削层几何形状及切削刃受力状态,建立了考虑工件材料、刀具几何、切削参数及调制参数等因素的切削力解析预测模型,并通过教与学优化算法对模型中的未知参数进行辨识。在不同工艺参数下开展了调制辅助车削测力实验,分析了工艺参数对切削力的影响规律,并验证了切削力解析预测模型的准确性。研究了调制辅助车削中流入刀具的热流密度时变规律,在对刀具几何进行一定程度的简化后,建立了刀具温度解析预测模型。通过对刀具热传导过程及正交切削过程进行有限元仿真,说明了刀具几何简化的合理性。开展了调制辅助车削刀具温度及刀具磨损测量实验,实验结果分别直接和间接地验证了刀具温度模型的有效性。根据刀具温度模型计算得到的平均温度及温度波动度,进一步预测了刀具后刀面磨损率。研究了调制辅助车削工艺参数多目标优化方法,以最小刀具磨损率和最大材料去除率为优化目标,并考虑切屑长度、表面粗糙度、压电致动器使用边界等约束条件,基于多目标教与学优化算法对调制频率、调制幅值等工艺参数进行优化,获得了一系列用于指导加工的帕累托最优解。开展了相关实验研究,通过对实验结果进行灰色关联分析,对工艺参数优化前后的优劣进行评定,评定结果验证了优化方法的有效性。本文所提出的调制辅助车削过程建模及工艺参数优化方法具有普遍性,可以推广到其它工件材料、刀具几何及工艺参数条件下。本文研究成果可为调制辅助切削中的切屑控制、切削力控制、刀具温度及刀具磨损控制等方面的研究提供理论依据,对调制辅助切削技术的应用和推广具有积极作用。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG51
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题来源
    1.2 研究背景与意义
    1.3 国内外研究综述
    1.4 主要研究内容及创新点
2 调制辅助车削运动学建模与分析
    2.1 引言
    2.2 刀具切削轨迹及自动断屑条件分析
    2.3 切屑长度的预测与分析
    2.4 表面形貌/粗糙度的建模与分析
    2.5 本章小结
3 基于解析建模的调制辅助车削切削力预测与分析
    3.1 引言
    3.2 切削力解析建模方法
    3.3 模型参数的辨识及实验验证
    3.4 切削力解析预测模型的实验验证与分析
    3.5 本章小结
4 基于解析建模的调制辅助车削刀具温度预测与分析
    4.1 引言
    4.2 刀具温度解析建模方法
    4.3 刀具温度解析预测模型的有限元仿真验证
    4.4 刀具温度解析预测模型的实验验证
    4.5 基于温度模型的刀具磨损率预测
    4.6 本章小结
5 基于多目标教与学优化算法的工艺参数优化
    5.1 引言
    5.2 工艺参数优化问题描述
    5.3 基于多目标教与学优化算法的工艺参数优化过程
    5.4 工艺参数优化结果
    5.5 工艺参数优化结果的实验验证与分析
    5.6 本章小结
6 全文总结与工作展望
    6.1 全文总结
    6.2 工作展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果

【参考文献】