柔性结构铣削时滞工艺系统的稳定性理论与实验研究

摘要

加工振动失稳现象普遍存在于实际切削过程中，造成加工质量的下降与成本的增加。为了避免振动的发生，达到高效、高精的要求，需要深入系统地分析引起失稳的各类因素，包括多模态、耦合、多时滞等。为了揭示这些复杂因素对加工过程稳定性的影响规律，本文基于大量的实验研究，对加工振动过程中普遍存在的这类问题进行深入细致地分析，提出了一些有针对性的建模、计算方法，并试图给出客观合理的解释。围绕薄壁、柔性结构零件加工中的稳定性问题，本论文从切削振动机理、刀具、工件结构等不同方面开展了以下工作：
　　指出了切削加工过程中经典动力学模型稳定域理论和实验结果存在着巨大的差别，这一差别不仅存在于低速切削情形下，也存在于高速切削过程中。针对经典动力学模型稳定域理论预测不准的问题，首次提出了同时考虑铣削过程中模态耦合效应和再生效应的稳定性建模方法，通过实验验证了两种振动机制共存于实际切削过程的假设，并分析了不同加工条件下模态耦合效应对切削过程稳定域的影响大小。
　　铣削加工动力学多时延情形下的经典稳定域预测方法存在计算精度和计算效率的不足。针对该问题，提出了变步长数值积分法，用于铣削过程中由于刀轴偏心或不等距齿加工等多时延情形下的稳定域预测。采用可调步长来准确地离散切入时间段，并通过控制局部最大离散误差来保证计算精度。仿真结果表明，在铣削过程中处理低径向切深时，该方法能够有效地减少特征传递矩阵维数，准确、快速地对多时延情形下的稳定性进行预测。
　　提出了采用激光位移传感器测试主轴旋转过程中铣刀刀刃动态位移的方法，利用线性搜索的优化方法求解了基于实测数据的刀具偏心。揭示了刀具偏心随主轴转速变化的规律，并指出了主轴旋转过程中刀具径向偏心不再为常数，且偏心波动的范围随转速增加而增大。研究了刀具偏心对切削过程稳定域的影响：仿真和实验结果都表明刀具偏心能够增大局部稳定域。
　　针对薄壁结构零件的加工，提出了一种考虑柔性结构多阶模态的铣削动力学模型，并推导了切削力作用下结构多阶模态之间的耦合关系。采用全离散方法计算了螺旋角效应和多阶模态效应作用下的稳定域边界，揭示了多模态作用下的刀具加工位置变化对铣削稳定域的影响规律，并获得了实验证实。
　　通过双板柔性结构支承下的零件切削振动的实验研究，发现了传统的局部稳定性分析理论与实验结果存在巨大的差别。针对该问题，提出了基于全局稳定性分析的动力学模型，同时考虑再生效应激励和周期激励的影响；提出了切削参数稳定域的时域计算方法，考虑了刀齿跳出、切入角变化等约束。实测结果验证了该模型的准确性，说明了全局稳定性分析方法在柔性结构零件加工过程中的有效性。

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1. 绪 论

1.1课题概述

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究内容与结构

2. 耦合机理下的铣削过程稳定性建模与实验研究

2.1引言

2.2系统动力学建模

2.3积分法和稳定性判别

2.4数值仿真对比

2.5实验验证

2.6讨论

2.7小结

3. 多时滞作用下的铣削过程稳定性建模与算法研究

3.1引言

3.2数学模型的建立

3.3数值积分法的精度分析

3.4算法描述

3.5数值仿真结果

3.6结论

4. 静、动态刀具偏心下的铣削稳定域实验研究

4.1引言

4.2夹具设计与参数辨识

4.3刀具偏心求解的数学模型和优化过程

4.4数值仿真与实验结果对比

4.5动态刀具偏心测试分析与稳定域计算

4.6小结

5. 多模态作用下的薄壁件铣削过程稳定性建模与实验分析

5.1引言

5.2动力学方程的推导

5.3稳定域求解

5.4数值仿真与实验验证

5.5讨论和小结

6. 大幅度振动下的柔性结构加工过程全局稳定性分析

6.1引言

6.2夹具设计与参数辨识

6.3局部稳定性分析

6.4实验测试对比分析

6.5模型修正和全局稳定性分析计算

6.6小结

7. 小结与展望

7.1全文总结

7.2工作展望

致谢

参考文献