工艺系统振动对高速切削刀具破损的影响机理研究

摘要

在机械加工过程中，往往会伴随着振动的发生，严重制约切削效率和零件的加工精度，缩减机床的使用寿命，造成刀具破损等一系列后果。同时，加工过程产生的振动会使切削力的大小和方向发生突然改变，从而引起刀具应力场改变，以及使刀具应力场反复变化。因此研究工艺系统振动对刀具影响的机理具有重要的科研价值，并为抗破损铣刀的设计提供一定的理论依据。
　　首先，对硬质合金整体立铣刀建立三维几何模型，对其进行工况下的有限元模态分析，得出其固有频率以及其振型;同时进行了实验模态分析，通过锤击法测出工况下其固有频率;将两者进行分析比较，其结果相吻合。
　　其次，设计了测量工艺系统振动的正交实验方案，对刀具的振动信号以及切削力信号进行同步采集。在采集过程中刀具的X，Y轴的信号利用电涡流位移传感器进行采集;Z轴采用压电式加速度传感器在主轴上进行采集。然后，对Z轴信号采用频域积分，使X、Y、Z三个轴采集到数据都为位移量。对采集信号频谱分析，与刀具工况下的固有频率分析对比，确认此过程没有共振发生，在后续分析中可以忽略共振对刀具的影响。同时对实验结果采用极差分析法，得到各切削参数对刀具振动的影响规律。并且设计切削方式的单因素实验，结果表明，逆铣方式的切削振动要高于顺铣。
　　再次，为了探究振动对刀具应力场的影响机理，首先进行了只加载切削力的静力学分析，获得了切削力作用下的立铣刀应力场;然后由于受到有限元软件系统无法同时加载位移载荷和力载荷的限制，因此在进行静力学分析时只将振动位移信号加载到受力面上进行分析，通过后处理得到其反作用力，再将得到反作用力与切削力进行叠加，加载分析，得到在此振动情况下刀具应力场的分布，与单独加载切削力产生应力场会有一定的变化。为了便于对比分析，将振动数据取反再进行一次上述静力学分析，得到三组分析结果进行分析对比。同时采用上述过程进行了三个载荷步的瞬态动力学分析。综合对比上述两类分析的结果可知振动会使刀具应力场发生瞬时转变，刀具应力场在不断恶化，同时受交变应力作用，最终导致刀具破损。
　　最后，通过上述有限元分析已知力方向的不同对刀具应力场的改变具有一定影响，对刀具进行数学建模求出了任意一点切削刃前刀面的垂线的单位向量，利用该模型进行多组有限元分析，得到不同垂线的方向下的刀具应力场，对结果进行分析比较，可知振动使切削力翻转得到的方向与刀尖处前刀面垂线一致时刀具应力场最恶劣的情况。最终通过上述分析研究揭示工艺系统振动对刀具破损的影响机理。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究意义和目的

1．2 国内外研究现状

1．2．1 金属切削过程中振动研究

1．2．2 铣削加工振动和切削力测量实验研究

1．2．3 金属加工的应力分析

1．2．4 刀具破损机理研究

1．3 课题来源和主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 课题主要研究内容

2 高速切削立铣刀工况下有限元模态分析及现场测试

2．1 概述

2．2 工况下立铣刀的模态仿真

2．2．1 立铣刀三维实体建模

2．2．2 立铣刀的有限元模态仿真

2．3 工况下立铣刀的模态实验

2．3．1 实验模态分析的目的和意义

2．3．2 实验原理

2．3．3 测量分析系统

2．3．4 工况情况下的模态实验

2．4 本章小结

3 高速切削立铣刀的切削力和振动信号的采集与处理

3．1 概述

3．2 实验方案设计

3．2．1 实验目的和内容

3．2．2 实验设备、方法及参数设定

3．3 切削参数对铣削振动的影响

3．4 实验结果及数据分析处理

3．4．1 MATLAB介绍

3．4．2 实验数据的处理

3．5 本章小结

4 高速切削过程中振动对刀具应力场的作用机理

4．1 概述

4．2 振动对刀具应力场影响的静力学分析

4．2．1 静力学分析的基础理论

4．2．2 静力学有限元分析

4．3 铣削振动对刀具的应力场的影响的瞬态动力学分析

4．3．1 瞬态动力学分析

4．3．2 瞬态动力学有限元分析

4．4 本章小结

5 工艺系统振动对刀具破损作用机理研究

5．1 概述

5．2 建立振动下刀具应力场最恶劣时合力的方向

5．3 振动对刀具破损影响机理

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．1．1 主要工作内容

6．1．2 主要创新点

6．2 存在的问题及展望

参考文献

附录

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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