薄壁件切削过程动力学特性研究

发布时间：2020-10-31 18:50

　　 薄壁零件以其高强度、重量轻等特性广泛的应用于航空航天、精密仪表、汽车等领域。尤其在要求结构复杂、曲面曲线结构多、协调精度要求较高的航空航天业中得到了很好的应用。薄壁件制造产业的发展水平作为现代高端科技产业、高技术国防装备的基础,是衡量一个国家重工业发展水平的重要标志,也是提高现代先进制造企业核心技术竞争力的突破点。薄壁零件的加工目前主要采用数控铣削,其刚性随厚度的减小而降低,加工过程中极易产生振动,甚至发生颤振,从而影响零件的精度。传统制造采用保守的切削用量来减小振动,但这限制了数控机床、刀具性能的发挥。因此,本文以薄壁零件为研究对象,深入研究其切削加工过程动力学特性,构建其切削力和稳定性预测模型,开展稳定性影响因素分析,工作对完善薄壁件切削理论,促进高效、高精密加工发展具有重要意义。本文主要研究内容如下:(1)建立了考虑切削力分段特性的螺旋刀具铣削过程切削力积分模型。该模型用统一的表达式表征切削过程不同阶段的切削力,切削力形式更加简单;切削力微元沿刀齿螺旋线积分获得切削力,较传统切削模型,无论从理论还是实际上来说,结果都更加准确。同时,基于该模型,分析了切削过程的上限角和下限角在不同径向切深下的变化规律,结果表明其一般呈现“二段”特性,致使每齿的切削力呈现“三段”特性;(2)基于切削力积分模型,分析了刀具几何、切削参数等因素对切削力的组合影响。计算结果表明,刀具螺旋角、轴向切深、径向切深、轴径比(轴向切深/径向切深)以及刀具齿数对切削力具有重要影响。相比于大径向切深,刀具螺旋角对切削力的影响在小径向切深时更加显著。同时,刀具螺旋角对切削力的影响随着轴径比的增大而更加明显。因此,在小径向切深或大轴径比情况下,构建切削力模型时考虑刀具螺旋角是必要的;(3)基于上述切削力模型,构建了螺旋铣刀切削薄壁零件的过程动力学方程,引入半离散法得到了该系统的稳定性预测解析算法。编制了MATLAB程序,开展了不同切削条件和刀具几何特性工况下的稳定性过程仿真,分析了刀具螺旋角、顺逆铣形式、径向切深和刀具齿数组合下对铣削稳定性的影响。结果表明大径向切深下,刀具螺旋角对铣削稳定性的影响不大,在小径向切深下较为明显;随着刀具齿数的增加,极限切深减小,稳定区域变小,稳定性变差;顺铣时,在转速较低时稳定性较好,而逆铣更适合高速区铣削,在大径向切深时,较逆铣刀具螺旋角对稳定性的影响在顺铣时更为明显,在小径向切深下,无论是顺铣还是逆铣刀具螺旋角对稳定性的影响都很明显;(4)构建了2种螺旋铣刀切削薄壁零件的过程动力学分析数值算法,快速获取不同切削条件下的切削力信号和振动信号。a)运用MATLAB的Simulink单元搭建了螺旋铣刀铣削薄壁过程动力学特性分析模块,包括判断模块,信号模块和定积分模块等子模块。该模块可实现不用切削参数与刀具几何情况下的快速仿真。b)基于欧拉迭代,编制了螺旋铣刀铣削薄壁过程动力学特性分析程序。该程序可考虑刀具偏心、薄壁件多模态特性、工件动态、工件与刀具接触分离、刀齿变螺旋等多种实际切削过程特性及非线性特征。基于上述两种方法,开展了不用切削参数过程的稳定性仿真,并通过频谱分析法与庞加莱映射法判定了该切削过程的不稳定形式,结果表明,该切削过程的不稳定形式主要表现为发散、准周期分叉和倍周期分叉。最后,运用欧拉迭代程序,对半离散法所得稳定性叶瓣图从稳定性岛和普遍适用性两个方面进行了准确性验证。
【学位单位】：天津职业技术师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG501
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 切削力建模的研究现状
        1.2.2 铣削加工稳定性的研究现状
        1.2.3 振动控制的研究现状
    1.3 本文的工作安排
    1.4 本章小结
第二章 薄壁件切削力建模及分析
    2.1 切削力建模
        2.1.1 薄壁件铣削动力学模型
        2.1.2 常规铣刀动态切削力建模
        2.1.3 螺旋铣刀动态切削力建模
    2.2 切削力仿真计算和影响因素的研究与分析
        2.2.1 刀具螺旋角在不同径向切深下对分段特性的影响
        2.2.2 刀具螺旋角在不同轴向切深下对分段特性的影响
        2.2.3 刀具螺旋角在不同切削轴径比下对分段特性的影响
        2.2.4 刀具齿数对分段特性的影响
    2.3 本章小结
第三章 薄壁件的切削稳定性研究与影响因素分析
    3.1 半离散法稳定性研究
    3.2 稳定性影响因素分析
        3.2.1 刀具螺旋角对切削稳定性的影响
        3.2.2 顺逆铣对切削稳定性的影响
        3.2.3 刀具齿数对切削稳定性的影响
    3.3 本章小结
第四章 铣削振动稳定性预测数值模型与验证
    4.1 基于Simulink的铣削振动分析模型
        4.1.1 铣削加工Simulink仿真主系统
        4.1.2 铣削加工Simulink仿真刀齿子系统
        4.1.3 铣削加工Simulink仿真定积分系统
    4.2 基于欧拉法的铣削振动分析模型
    4.3 铣削颤振的判定与颤振频率分析
    4.4 基于欧拉模型的铣削振动过程分析与验证
        4.4.1 稳定性岛的验证
        4.4.2 等梯度取点验证
    4.5 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 创新点
    5.3 展望
参考文献
致谢
申请学位期间的研究成果及发表的学术论文
附录I
附录II

【参考文献】

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本文编号：2864360