高速铣削加工稳定性与切削参数优化研究

摘要

稳定切削是确保高效、高精度切削加工的前提条件，是优化工艺参数和提高加工效率的基础。本文对铣削加工过程中的动力学建模、稳定性预测及加工表面质量等问题进行研究，为实现无颤振高速铣削及加工参数的优化提供指导。
　　 考虑加工过程中瞬态切削厚度变化，建立动态铣削力模型，根据再生颤振解析模型，对加工过程稳定性进行预测，绘制了稳定性曲线。研究了铣削加工过程中信号的频率特性，采用半离散法对小径向切深稳定性进行预测。通过仿真分析对铣削稳定性的影响因素进行研究。
　　 以铝合金7050材料为研究对象进行高速铣削颤振试验。通过试验获得切削力系数，对比仿真和试验结果验证了铣削力模型及获得的铣削力系数的准确性，并通过模态试验获得刀具系统的模态参数。通过分析切削过程铣削力及振动信号功率谱的频率成份变化，进行颤振识别，将仿真预测和试验结果进行对比，对稳定性预测模型的准确性进行验证。基于颤振识别方法，给出一种调整切削参数的颤振抑制寻优策略，利用时域仿真分析方法对其可行性进行了验证。
　　 对钛合金TC4材料进行高速铣削试验，通过正交试验和单因素试验分析了切削参数对表面粗糙度的影响规律，基于BP神经网络建立了表面粗糙度预测模型，最后结合铣削稳定性和表面粗糙度的研究结果，利用遗传优化算法实现了铣削加工参数优化。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 铣削加工过程稳定性及颤振识别研究现状

1．2．1 铣削程稳定性预测研究现状

1．2．2 铣削颤振识别研究现状

1．3 铣削加工表面粗糙度研究现状

1．4 铣削加工参数优化研究现状

1．5 课题来源及主要研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 主要研究内容

2 铣削加工过程动力学建模和仿真

2．1 再生型颤振机理分析

2．2 动态切削力建模

2．2．1 瞬态切削厚度模型

2．2．2 动态铣削力模型

2．3 铣削加工稳定性区域预测

2．3．1 铣削加工再生型颤振解析模型

2．3．2 铣削加工稳定域求解

2．3．3 铣削加工稳定性曲线绘制

2．4 小径向切深铣削稳定性分析

2．4．1 半离散法求解铣削稳定性

2．4．2 铣削加工颤振信号频谱特性

2．4．3 小径向切深数值分析

2．5 铣削稳定性影响因素研究

2．5．1 铣削系统模态参数对稳定性的影响

2．5．2 铣削力系数对稳定性的影响

2．5．3 刀具齿数对稳定性的影响

2．6 本章小结

3 铣削加工过程稳定性试验验证

3．1 铣削力系数识别试验

3．1．1 平均铣削力系数模型

3．1．2 铣削力系数识别试验

3．1．3 铣削力仿真与验证

3．2 铣削系统模态参数识别

3．2．1 试验模态分析原理

3．2．2 铣削系统模态试验

3．2．3 模态参数识别结果

3．3 铣削稳定性验证试验

3．3．1 试验条件及仪器设备

3．3．2 试验方案设计

3．3．3 试验结果分析

3．4 基于颤振识别的动态稳定性寻优

3．4．1 调整主轴转速抑制颤振

3．4．2 考虑调整切削参数的颤振抑制寻优策略

3．4．3 时域仿真分析及验证

3．5 本章小结

4 高速铣削钛合金表面粗糙度及切削参数优化研究

4．1 高速铣削钛合金表面粗糙度试验

4．1．1 试验条件及仪器设备

4．1．2 正交试验设计及结果分析

4．1．3 单因素试验设计及结果分析

4．2 基于神经网络的表面粗糙度预测模型

4．2．1 BP神经网络粗糙度预测模型设计

4．2．2 BP神经网络粗糙度预测模型预测结果分析

4．3 切削参数优化研究

4．3．1 遗传算法简介

4．3．2 优化模型建立

4．3．3 约束条件处理

4．4 切削参数优化实例分析

4．4．1 忽略颤振稳定域约束的优化结果

4．4．2 考虑颤振稳定域约束的优化结果

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

附录