超声振动辅助铣削系统的稳定性研究

【摘要】：铣削加工航空材料时由于存在较大的切削力、易产生不可控振动、加工精度低等问题,制约着我国航天事业的发展。如何提高这些航空材料的加工质量和加工效率已成为我国航空航天业以及其他制造业亟待解决的问题。铣削加工中由于工艺参数选取不合理而导致的颤振是降低产品质量和生产效率的主要原因之一。鉴于此,开展以优化工艺参数实现加工过程无颤振、最大材料去除率的铣削技术的研究势在必行。超声振动是一种良好的抑制加工颤振的方法,本文将其与铣削技术相结合展开研究,探讨超声振动辅助铣削系统的稳定性,旨在实现无颤振铣削航空材料,提高航空材料的加工质量和加工效率。主要研究内容和研究成果如下:以实验模态法为基础,构建了综合考虑再生效应和刃边效应的多方向(进给方向、垂直进给方向、椭圆、扭转)超声振动辅助铣削系统的切削力模型,采用非线性周期函数的线性化理论进一步建立了超声振动辅助铣削的动力学模型。考虑超声振动辅助铣削系统的切削分离效应,对不同方向超声振动辅助铣削系统刀尖运动轨迹进行了仿真,分析了刀尖运动轨迹特点;在此基础上提出了时域轨迹法作为窗口函数,判断瞬时切厚的真实存在,结合全离散法运用于超声铣削过程的稳定性分析,获得了由工艺参数构成的加工过程稳定边界并实验验证了理论预报的结果;理论仿真与实验结果基本吻合,说明时域轨迹法运用于超声振动辅助铣削系统的稳定性分析是可行和可靠的。探讨了各工艺参数变化对超声振动辅助铣削系统稳定性边界的影响趋势;得出了各工艺参数对不同方向超声振动辅助铣削系统稳定性的影响规律;提出了以提高系统稳定性为目标的加工参数的优先选择顺序和优选方向,通过实验证实了预测趋势与实际切削的一致性,为开展工艺参数的优化,实现无颤振加工提供了依据。通过研究超声振动辅助铣削系统的稳定性,得出以下结论:时域轨迹法是一种简单可行和计算效率较高的方法,它开创了一条断续切削判稳的新方法和新思路;工艺参数变化对系统稳定性边界和表面加工质量的影响趋势,提供了无颤振铣削工艺参数优化的依据;超声振动铣削复合加工技术能够提高系统的稳定性,提高工件的加工质量和加工效率,实现精密加工航空材料的目的。