铣削加工时滞及过程阻尼效应研究

发布时间：2019-11-26 01:49

【摘要】：颤振是制约铣削加工效率和质量的一个重要瓶颈。颤振经常在工件表面留下斜状振纹,影响加工质量,且其需要手工去除,严重影响加工效率。尤其对于钛合金这样的难加工材料,其单位切削力大,弹性模量低,加工中更易产生颤振。钛合金,尤其是其薄壁件的加工,是航空制造的一大工艺难题。本文针对此实际问题,对铣削颤振产生的物理本质,及铣削加工过程中的非线性阻尼作用,进行了深入研究。主要研究内容如下:1.从振动学的本质出发,剖析铣削颤振发生的根源,分析时滞效应如何影响系统的阻尼和刚度,进而引起系统失稳,颤振发生。结合劳斯判据的分析,指出铣削颤振发生的根源,是由时滞引起的附加刚度阻尼项,尤其是交叉项随着切深增加而增大,导致劳斯判据系数变负。而对于不同的失稳方式,颤振产生的机理也有不同。结合计算和实验对比分析,对以上思路予以验证。基于以上思路,又深入分析了不等齿距铣刀和变速切削抑振机理。指出两种方法均可通过改变时滞,消除附加阻尼项,使得系统稳定性得到改善,给出了简易的齿间距角和变速参数的优化指标。依据该指标,可快速获取最优的不等齿距铣刀的齿间距角和变速切削调制参数,使得稳定区域明显增加。结合经典文献中的算例,对该分析方法予以验证。2.在铣削加工中的低速区,由刀具后刀面与表面振纹干涉产生的过程阻尼效应,对钛合金等难加工材料的加工颤振抑制尤为关键。本文深入研究过程阻尼效应的产生机制,给出干涉发生的条件,分析了切削速度和刀具后角对过程阻尼的影响。建立了考虑过程阻尼等非线性因素的铣削动力学模型,并且给出了颤振稳定性分析流程。该模型较为全面、细致地反映了实际铣削加工过程,给出了工件表面振纹的描述方法,以及基于表面振纹坐标实时计算压入面积和过程阻力的方法。以典型钛合金Ti6AL4V为实验材料,进行了计算和实验的对比分析,验证了所建模型的有效性,指出该模型能够较为准确地预测由于过程阻尼作用,在低速区增加的稳定区域。并且所设计的减振后角能够有效增强过程阻尼、抑制颤振,进一步扩大稳定区域。3.将过程阻尼理论应用到钛合金薄壁件的铣削加工之中。针对薄壁件铣削振动的特点,建立描述表面振纹的数学模型,进而基于此模型计算瞬时切削厚度和压入面积,获取动态切削力和过程阻力,建立薄壁件铣削非线性动力学模型。计算和实验的对比分析表明,该模型能够较为准确地预测出钛合金薄壁件加工时,由于过程阻尼效应在低速区增加的稳定区域。而所设计的减振后角可以有效地增加稳定区域、抑制颤振,提高加工效率和表面质量。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG54

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本文编号：2565957