轴-扭耦合大长径比高速微小孔钻削再生型颤振稳定性研究

摘要

随着科学技术的发展和精密制造能力的提高,工业生产中微小孔的需求越来越多,而且对微小孔的加工质量提出了更高的要求.硬脆材料由于具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和力学特性,被广泛的应用于现代医学、航空航天以及微电子机械等领域,目前,对于硬脆材料上微小孔的精密加工,采用最传统的微钻削仍然是最有效的加工方法之一,其高硬度高强度特性对微钻削刀具提出了更高的要求,尤其是大长径比微孔钻削中存在的再生颤振是影响产品质量的重要的因素之一.　　为了改善微小孔的加工质量,提高加工效率,降低加工成本,本文提出以宏观钻削动力学模型为基础,建立了两自由度结构动力学微观模型,得到两自由度非线性微小孔钻削动力学方程,引入无量纲参数与变量,将非线性动力学方程无量纲化和线性化.分别用不同的动力学系统参数进行对比,获得了对应的稳定性极限叶瓣图,对区域进行稳定性预测.其中,主要参数包括轴向/扭转阻尼系数,轴向/扭转刚度,固有频率,切削参数,长径比与微钻刃半径等;研究表明:长径比越大,加工越不稳定;当虚频0＜(w)＜1时,增大轴向/扭转阻尼系数,增大轴向刚度,增大阻尼比,增大切削系数与系统固有频率,选择合适的扭转刚度等皆可抑制颤振;当虚频(w)＞1时,增大轴向阻尼系数,减小扭转阻尼系数,增大轴向/扭转刚度,减小阻尼比,减小切削系数,减小固有频率等亦可抑制颤振.分析了调谐系统与非调谐系统下有无阻尼对于稳定过程影响.研究表明:阻尼的存在增强了系统的稳定性,调谐状态下(β=1)的系统稳定性一定程度上要高于非调谐状态下(β≠1)的系统稳定性.为探究微钻削整个加工过程的稳定特性,依据前述动力学方程获得了稳定颤振极限环与不稳定颤振极限环.通过分析,获知了理论参数对应的加工过程系统的稳定性和不稳定颤振变化历程,这为微钻削系统稳定性的提供了又一个判断依据;最后,对上述的理论分析进行了部分验证.选择两种硬度不同的光学玻璃BK7和普通玻璃作为实验材料,选取前文中理论分析的数据作为实验参数,进行了两种材料的实验对比,数据经处理后得到了颤振时域图和功率谱图.实验结果证明了上述理论模型的正确性,同时,在分析中发现微钻削中功率能量的变化规律与宏观切削相同.

目录

声明

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景、研究目的及意义

1.1.1 背景

1.1.2 背景课题研究目的与意义

1.2国内外研究现状及发展动态

1.2.1 稳定性预测的研究

1.2.2 颤振抑制的研究

1.3 存在的问题

1.4本文的研究内容及研究思路

1.4.1 本文的研究内容

1.4.2 本文的研究思路

2 大长径比微小孔钻削动力学建模

2.1结构动力学模型

2.2微钻削力学模型

2.3微小孔钻削动力学模型

2.4微钻削稳定性理论方程非线性分析

2.4.1 微钻削系统的延时分析

2.4.2 微钻削稳定性研究方案的分析

2.5 本章小结

3 具有两自由度的微钻削过程中的稳定性分析

3.1 引言

3.2微钻削颤振稳定性的分析

3.3 数值分析

3.3.1 微钻直径对于微钻削颤振稳定性的影响

3.3.2 微钻长径比对于微钻削颤振稳定性的影响

3.3.3 轴向阻尼系数对于微钻削颤振稳定性的影响

3.3.4 扭转阻尼系数对于微钻削颤振稳定性的影响

3.3.5 微钻轴向刚度对于微钻削颤振稳定性的影响

3.3.6 微钻扭转刚度对于微钻削颤振稳定性的影响

3.3.7 阻尼比对于微钻削颤振稳定性的影响

3.3.8 切削系数对于微钻削颤振稳定性的影响

3.3.9 系统固有频率对于微钻削颤振稳定性的影响

3.4微钻削过程颤振抑制措施的讨论

3.4.1 调整微钻削系统的动力学参数

3.4.2 调整微钻削系统的切削参数

3.5 本章小结

4 调谐与非调谐系统下有无阻尼对过程稳定性的影响

4.1 引言

4.2非调谐系统对微钻削过程稳定性的影响

4.2.1 无阻尼非调谐系统对于微钻削过程稳定性的影响

4.2.2 有阻尼非调谐系统对于微钻削过程稳定性的影响

4.3调谐系统对于微钻削过程稳定性的影响

4.3.1 无阻尼调谐系统对于微钻削过程稳定性的影响

4.3.2 有阻尼调谐系统对于微钻削过程稳定性的影响

4.4 本章小结

5 微钻削颤振过程分析

5.1建立颤振过程方程

5.2采用伽辽金法对微钻系统过程方程进行降阶

5.3 数值分析

5.4 本章小结

6 微钻削过程稳定性的实验研究

6.1 引言

6.2实验设备及测量方法

6.2.1 实验设备

6.2.2 测试方法步骤

6.3基于不同稳定区域的微钻削实验

6.3.1 实验方案设计

6.3.2 实验结果讨论与分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录1

作者简历

致谢

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