基于数控车床刀具工件系统动力学敏感性的刀具状态表征

摘要

数控机床高精密加工的发展对切削振动和刀具状态的研究提出更高的要求。切削过程中刀具状态的变化对刀具工件系统动力学、工件表面质量、机床各部件的振动都会有较明显的影响，所以对刀具工件系统的动力学特性进行分析和对切削刀具状态进行监测就是至关重要的。
　　当前基于振动信号的刀具状态表征的研究一般对刀具的高频或主轴转频进行分析；而且直接对振动响应信号频谱中的峰进行分析，工频会对结果产生影响；最重要的是现有的表征方法受切削参数的影响较大。
　　本文利用低频工作模态对刀具工件系统的动态变化进行研究。该刀具工件系统的低频工作模态特征会随着刀具和工件的变化而变化，而受切削参数的影响较小。基于工作模态分析对切削振动响应信号进行分析，分析辨识出的低频工作模态对刀具工件系统变化因子的敏感性。并基于动力学敏感性进行刀具状态表征。本文的研究内容包含以下四个方面：
　　首先对数控车床的静态低频模态特性进行分析。辨识出静态下各阶模态参数。并分析静态下不同阶模态的敏感方向和敏感部件，辨识出主导模态。
　　其次分析刀具工件系统动态动力学敏感性的研究方法。分析连续切削过程中数控机床的不同结构的各阶工作模态及不同方向对刀具工件系统变化因子的敏感性，辨识出刀具磨损的敏感模态，这被定义为动力学敏感性方法。
　　再次分析基于动力学敏感性的刀具状态表征。分别在切削参数不变和切削速度变化下，利用敏感工作模态幅值变化对刀具磨损状态进行表征。由于敏感工作模态幅值变化受切削速度影响很小，所以该方法是一种独立于切削速度的可靠的刀具状态表征方法。
　　最后论述基于动力学敏感性的加工应用。优化切削参数以减小刀具磨损速度。结合主切削力方向的模态低幅值稳定阶段和刀具稳定磨损阶段，将表面质量要求较高的工艺设计在此阶段，也能改变切削参数以提高切削效率。在切深很小的精密切削过程中，较小的刀尖磨损对工件表面质量有较大影响，这时要根据磨损量实时改变切深。
　　研究结果表明，切削速度对工作模态影响较小，工作模态表征刀具工件系统的变化因子在不同的方向、部件、频段内具有差异性。利用敏感工作模态幅值变化对刀具磨损状态进行表征是独立于切削速度下的一种可靠的方法。

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1 绪论

1.1 课题研究背景及目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究现状总结

1.4 本文主要研究工作

2 数控机床静态低频模态特性

2.1 引言

2.2 实验系统设计

2.3 静态下低频模态敏感性分析

2.4 本章小结

3 刀具工件系统动态动力学敏感性分析

3.1 引言

3.2 大直径顶尖夹持工件动力学敏感性分析

3.3 小直径悬臂工件动力学敏感性分析

3.4 本章总结

4 基于动力学敏感性的刀具状态表征

4.1 引言

4.2 切削参数不变下刀尖磨损辨识

4.3 切削速度变化下刀尖磨损辨识

4.4 本章总结

5 基于动力学敏感性的加工应用

5.1 引言

5.2 减小刀具磨损速度

5.3 工艺设计优化

5.4 切削深度实时优化

5.5 本章总结

6 总结与展望

6.1 本文研究总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献