金属切削过程动力学建模及动态性能分析

摘要

切削颤振和机床的动态性能是金属切削加工过程中影响工件表面质量的主要因素之一，尤其在加工细长轴工件时，由于长径比大、支撑刚性弱等原因，切削振动往往更加剧烈。因此建立准确的工件切削过程模型进而研究影响振动幅值大小的因素、对机床动态性能进行分析一直是国内外相关学者研究的重点问题之一。目前国内外学者所建立的切削动力学模型不能完全反映工件所受切削力的实际情况，且建立的模型只适合于长径比较小工件的加工情况；由于未考虑结合部参数而对机床动态性能的仿真分析结果不准确。针对上述问题，本文分别基于横向和纵向振动理论建立细长轴车削过程的动力学模型，通过仿真研究了切削用量和工件长径比的变化对细长横向和纵向振动的影响,并通过车削实验验证理论模型的正确性；考虑固定、滚动结合部的刚度参数建立了数控铣床的有限元模型，对整机及其典型部件进行了模态分析、谐响应分析和实验研究。论文主要研究工作和研究成果如下：
　　(1)建立了细长轴车削过程的横向动力学模型。基于横向振动理论建立了细长轴车削过程的振动模型，并从力学及数值分析角度求解了切削力引起的工件振动响应。在Matlab软件中通过仿真研究了切削用量和工件长径比的变化对工件振动响应的影响。设计了以背吃刀量、进给量、主轴转速及工件长径比为变量的四因素三水平正交车削实验，分析四个因素对工件切削力的影响。揭示了细长轴车削过程的横向动态特性。
　　(2)建立了细长轴车削过程的纵向动力学模型。基于纵向振动理论建立了细长轴车削过程的纵向动力学方程，通过理论推导及数值求解得了到细长轴工件在轴向力下的纵向振动响应公式。在ANSYS中通过理论模态分析研究了切削点位置和工件质量的变化对切削系统动态性能的影响。
　　(3)考虑关键结合部的刚度参数建立了数控系统的有限元模型并对其进行了动态性能分析。以一台FA-32M三轴立式数控铣床为研究对象，论述了其进给系统结合部的简化建模方法，基于吉村允效法计算了立柱与床身固定结合部的刚度参数、基于Hertz接触理论计算了进给系统滚动结合部的刚度参数，建立了整机的有限元模型；对工作台进行了理论模态计算和实验模态测试，通过固有频率和模态振型的对比验证了整机有限元模型的正确性；在考虑结合部刚度参数和结合部固结处理两种建模方法下，分别对工作台、主轴系统、铣床整机进行了理论模态计算与分析；此外，对主轴系统和工作台进行了谐响应分析，并对结果进行了对比与总结。

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第一章 绪 论

1.1金属切削加工过程中的颤振现象及危害

1.2国内外颤振研究现状

1.3本研究目的及意义

1.4本研究的内容

第二章 金属车削加工的横向振动影响因素研究

2.1 引言

2.2切削力的的来源

2.3基于横向振动理论建立了细长轴车削过程的振动模型

2.4基于Matlab研究影响细长轴横向振动响应因素的仿真

2.5切削正交实验

2.6 本章小结

第三章 细长轴车削纵向振动影响因素研究

3.1引言

3.2细长轴纵向自由振动

3.3考虑轴向拉力时的细长轴纵向振动响应

3.4细长轴在横向及纵向切削力作用下的振动响应

3.5 ANSYS有限元分析验证

3.6 基于ANSYS的模态分析

3.7 本章小结

第四章 基于结合部刚度的动态特性分析

4.1 引言

4.2 数控铣床实体建模

4.3 数控铣床结合部建模

4.4 数控铣床有限元建模

4.5 有限元模型的验证

4.6 数控铣床模态分析

4.7 数控铣床谐响应分析

4.8 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢