复杂曲面变厚度薄壁件多轴铣削失稳特性研究

摘要

复杂曲面变厚度薄壁件因其具有质量轻、比强度高等优点，已被广泛应用于航空航天、汽车、模具、能源等众多高端领域。复杂曲面变厚度薄壁件多轴铣削加工过程中颤振现象较为严重，是实现高速、高效和高精度加工的主要限制条件。本文围绕复杂曲面变厚度薄壁件多轴铣削失稳模型，借助于理论分析和实验研究等手段，以保证加工质量的前提下提高加工效率为目标，对复杂曲面变厚度薄壁件多轴铣削加工过程中的刀具-工件接触区、切削力、时变特性和稳定性进行了系统、深入地研究。
　　建立了多轴铣削刀具-工件接触区提取模型，提出了基于实体-解析的多轴铣削刀具-工件接触区提取新方法。在所建立的模型中，为了精确地描述多轴铣削加工过程中刀具的运动，引进了三个坐标系，分别为:全局坐标系GCS、加工坐标系FCN和刀具坐标系TCS，并推导了各个坐标系之间的坐标变换关系。所提出的刀具-工件接触区提取方法将实体法和解析法相结合，因此在进行刀具-工件接触区提取的时候，无需构建刀具扫掠体、无需更新加工中的工件，速度快、效率高。
　　通过对现有铣削刀具形状的观察，提出了铣削加工过程中通用刀具的一般形式，推导了通用刀具几何参数的一般表达式，并建立了多轴铣削加工过程中通用刀具的切削力计算模型。通过定义刀具的截面曲线形状来定义通用刀具，所定义的截面是由一系列的直线和圆弧组成，现有的大部分刀具的截面都可分解为直线和圆弧的组合。通过实验研究验证了所建立的通用刀具切削力计算模型的准确性。此外，根据所建立的切削力计算模型，预测了叶轮在加工过程中不同部位的切削力，对于优选加工参数，避免过大切削力所引起的加工误差具有重要的意义。
　　考虑了材料去除和加工位置对复杂曲面变厚度薄壁件多轴铣削系统动态特性的影响，建立了时变参数系统模型。将材料的去除过程认为是结构的修改过程，将整个加工过程沿刀具路径离散为有限个单元，切削加工过程认为是离散单元一个个去除掉的过程。通过模态实验或有限法获得加工前后离散单元中点位置处工件的动态特性，然后应用Sherman-Morrison-Woodbury公式预测加工过程中，随着材料的去除工件动态特性的变化规律。通过实验验证了所提出的应用Sherman-Morrison-Woodbury公式获得工件加工过程中动态特性方法的准确性，并对叶片顶部粗加工过程中工件动态特性变化规律进行了预测，对后期的稳定性分析具有重要意义。
　　建立了复杂曲面变厚度薄壁件多轴铣削稳定性模型，该模型的控制方程为一时变参数延迟微分方程。应用半离散法对该方程的延迟项进行了近似，将原方程转化为一系列的常微分方程。通过求解所获得的常微分方程，获得了Floquet变换矩阵，通过该矩阵的特征乘子的值即可判定时变参数延迟微分方程的稳定性极限。为了验证用半离散获得的稳定性极限图的准确性，进行了实验研究。实验过程中将不同工况下工件加工完表面与稳定性极限图作对比，查看二者稳定性是否吻合，通过比较观察发现两者吻合较好。也就是说，可以用半离散法获得铣削加工稳定性极限图，优选加工参数，避免加工过程中颤振的发生，提高加工精度和效率。
　　本课题得到国家自然科学基金项目(no.51575319)、山东省优秀中青年科学家科研奖励基金计划(no.BS2013ZZ013)、山东大学青年学者未来计划资助项目(no.2015WLJH31)的支持。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 本课题的研究目的及意义

1．2 刀具-工件接触区提取研究现状

1．2．1 解析法

1．2．2 离散法

1．2．3 实体法

1．3 切削力建模研究现状

1．4 铣削系统稳定性研究现状

1．4．1 铣削过程中的振动

1．4．2 铣削系统稳定性

1．4．3 薄壁件铣削系统稳定性

1．5 课题的提出和主要研究内容

1．5．1 存在的主要问题及课题的提出

1．5．2 本课题的主要研究内容

第2章 基于实体-解析法的多轴铣削刀具-工件接触区提取

2．1 多轴铣削加工几何参数定义

2．1．1 坐标系的定义及之间的关系

2．1．2 锥形球刀刀具表面法向计算及扫掠区计算

2．2 基于实体-解析法的刀具-工件接触区提取

2．2．1 第一次切削和切槽

2．2．2 跟随切削

2．2．3 实体-解析法获得接触区流程图

2．3 实验装置及结果分析

2．3．1 实验装置

2．3．2 结果分析

2．4 本章小结

第3章 多轴铣削通用刀具切削力模型

3．1 通用刀具定义及几何参数

3．1．1 通用刀具定义

3．1．2 通用刀具几何参数

3．2 通用刀具切削力建模

3．2．1 未变形切屑厚度计算

3．2．2 切削力计算

3．2．3 切削力计算流程图

3．3 实验装置及结果分析

3．3．1 实验装置

3．3．2 结果分析

3．4 叶轮粗加工刀具-工件接触区的提取及切削力仿真案例研究

3．4．1 案例介绍

3．4．2 接触区提取

3．4．3 切削力仿真

3．4．4 总结

3．5 本章小结

第4章 复杂曲面变厚度薄壁件多轴铣削时变参数系统建模

4．1 时变参数系统动力学建模

4．1．1 时变参数模型

4．1．2 材料去除过程

4．2 基于Sherman-Morrison-Woodbury公式的铣削瞬时动力学特性研究

4．2．1 修正频响函数

4．2．2 频响函数修正过程

4．3 实验装置及结果分析

4．3．1 实验装置

4．3．2 结果分析

4．4 叶片多轴铣削加工时变特性预测案例研究

4．4．1 案例介绍

4．4．2 模拟结果

4．5 本章小结

第5章 复杂曲面变厚度薄壁件多轴铣削稳定性研究

5．1 控制方程及动态切削力

5．1．1 控制方程

5．1．2 动态切削厚度

5．1．3 动态切削力计算

5．2 基于半离散法的稳定性预测

5．3 实验装置及结果分析

5．3．1 实验装置

5．3．2 结果分析

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

致谢