PCBN刀具高速车削镍基高温合金的颤振及稳定性研究

摘要

镍基高温合金在航空航天工业为代表的战略性产业中，一方面以其优良的材料力学性能而得到广泛应用，另一方面因其难加工特性带来了诸多新的挑战。具体表现在镍基高温合金加工过程中，切削颤振作为一种极不稳定、复杂的机械振动现象，极大地抑制了生产效率，降低了工件的加工精度；特别是在使用PCBN等高硬度、高脆性刀具时，颤振极易导致崩刃。为此，本文综合运用金属切削原理、切削颤振理论、切削试验、MATLAB软件等理论和方法，探索了PCBN刀具高速车削镍基高温合金过程中切削参数对切削颤振、切削稳定性及表面质量的影响规律，开展了如下研究工作：
　　1）外圆车削颤振动力学模型研究。基于外圆车削加工振动及颤振的产生机理，建立轴向进给方向和径向进给方向二自由度车削再生颤振的动力学模型；确定机床切削系统稳定性的判据，给出机床切削系统极限切削宽度的计算方法；利用计算机仿真对机床切削系统振动特性的影响因素进行分析。
　　2）机床切削系统动力学参数的确定。在正确建立车削再生颤振动力学模型的基础上，利用锤击法模态试验和正交切削试验，确定机床切削系统动力学参数（固有频率ωn、刚度k、阻尼比ζ）以及镍基高温合金切削过程动力学参数（单位切削力系数kcu、kcv），对镍基高温合金加工的极限切削宽度blim进行计算预测；对机床其他的主要部件进行了模态试验，为主振系统的确定提供了依据。
　　3)基于MATLAB/Simulink平台的车削再生颤振模型仿真研究。利用该平台设计二自由度外圆车削再生颤振仿真模型，建立了一种根据切削参数有效判定切削稳定状态的方法。利用仿真模型预测加工镍基高温合金的稳定极限切削深度，确定了切削过程中颤振的主振方向。根据数值仿真的结果，探究了切削速度、进给量以及切削深度等切削参数对于再生效应作用下外圆车削振动特性的影响规律。
　　4）镍基高温合金切削稳定性及加工表面质量试验研究。利用切变切深试验，对预测出的车削镍基高温合金的极限切削宽度进行试验验证并确定了主振系统选择的正确性；利用单因素外圆车削试验，结合数值仿真结果，研究主轴转速、进给量以及切削深度等切削参数对PCBN刀具高速车削镍基高温合金振动特性的影响规律；分析考虑了在加工振动的作用下，表面粗糙度随着切削参数的变化规律。
　　综上，本文的研究对于改善镍基高温合金的加工性能以及提高工件加工质量提供了理论参考。

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主要符号说明表

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目标及内容

第二章 再生颤振机理分析及稳定性研究

2.1 引言

2.2 再生颤振的机理

2.3 车削再生颤振的动力学模型

2.4 机床切削系统稳定极限研究

2.5 影响机床切削系统稳定性因素分析

2.6 小结

第三章 机床切削系统动力学参数的确定

3.1 引言

3.2 理论基础

3.3 刀具系统模态参数的测定

3.4 机床其他主要部件的固有频率的测定

3.5 X和Y方向单位切削力系数的计算

3.6 稳定极限切削宽度预测

3.7 小结

第四章 镍基高温合金切削稳定性仿真研究

4.1 引言

4.2 MATLAB/Simulink仿真软件简介

4.3 再生颤振模型的仿真研究

4.4 数值仿真及实例分析

4.5 小结

第五章 镍基高温合金切削稳定性及加工表面质量试验研究

5.1 引言

5.2 试验设计

5.3 颤振的识别及稳定极限的验证

5.4 切削参数对振动特性的影响

5.5 切削参数对工件表面粗糙度的影响

5.6 小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果