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高速切削稳定性及其动态优化研究

唐委校  
【摘要】:高速切削加工具有高效率、高精度和低成本的突出优势,是最重要、最具共性的先进制造技术之一,具有广阔的发展应用前景。高速切削系统(包括机床、刀具、工件和切削过程)是复杂的动态系统,随着切削速度的提高,切削过程中的振动导致的不稳定切削对生产效率、加工质量、成本以及机床和刀具寿命的影响比普通速度切削大得多。高速切削加工的诸多优越性的发挥必须以无振动稳定切削的实现为前提。目前,关于高速切削稳定性分析预测及其动态优化理论与方法的研究很少,严重限制了高速切削技术的发展。因此,以实现稳定切削条件下的高生产效率和高加工质量为优化目标,提出在高速切削机床和刀具的设计、制造、检验、切削加工生产与维护的整个生命周期中进行考虑切削稳定性的动态优化的新理念,研究适合高速切削特点的切削稳定性预测及其动态优化理论和工程应用方法,是促进高速切削技术发展和应用的重要应用基础课题,对充分发挥高速切削的技术优势和经济优势具有重要的理论意义和现实意义。 探讨适合高速切削特点的高速切削系统动力学模型及其建模方法,据Lagrange方程,建立了考虑高转速下离心力和陀螺力矩等多变量影响的高速切削系统多自由度动力学模型。以DMU-70V五轴高速加工中心(HSK主轴-刀柄联结)和ACE-V500立式加工中心(BT主轴-刀柄联结)为例,分析比较了离心力和陀螺力矩对不同机床主轴-刀柄结构及其与不同刀具(立铣刀、面铣刀,不同直径、齿数、外伸长径比)匹配时在不同支承刚度、不同转速下的动态特性的影响。界定了不同主轴刀柄结构需考虑离心力和陀螺力矩影响的临界转速范围。数值计算和实验结果表明,高转速下离心力和陀螺力矩的影响不能忽略,HSK主轴-刀柄结构在高速下的动态特性明显好于BT结构。 针对高速切削的特点,考虑在高速切削中不同切削条件和切削过程的振动对切削力的影响,建立高速切削过程的动态切削力模型。以螺旋立铣刀为例分析了不同切削条件对动态切削力的影响。 基于所建的动力学模型和动态切削力分析,研究了高速切削过程的再生型自激振动、自激振动与强迫激励共同作用下的混合振动的稳定性判据及其稳定切削


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