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低刚度摆线轮缘高速铣削变形与铣削力建模方法

戚厚军  
【摘要】: 为了解决高速铣削过程中薄壁结构件加工质量控制难的问题,针对低刚度摆线轮轮廓高精度的加工要求,建立了低刚度轮缘的铣削变形预测模型以及弹性铣削力模型。其中,低刚度摆线轮缘的铣削变形预测模型是控制摆线轮加工质量的关键理论,也是弹性铣削力建模的重要理论依据。该研究成果可为高精度薄壁机构件的加工质量控制提供重要的理论基础,对提升我国制造业整体水平,满足国家重点发展行业的需求具有重要意义。 建立了低刚度轮缘在静态铣削过程中弯扭剪耦合的铣削变形模型。该模型中针对低刚度摆线轮轮缘的多种耦合铣削变形,建立了切削啮合区的基本微分方程;推导了低刚度轮缘的弯曲、扭转耦合变形,以及横向力引起的剪切变形;结合低刚度轮缘超静定的结构特点,根据卡氏定理推导出支座反力及其所引起的变形。 建立了细长径铣刀的铣削变形方程。该模型中将刀具等效为Timoshenko梁结构,结合刀刃的惯性矩计算关系式,建立了铣刀的铣削变形方程;基于刀具的偏心角和偏心半径,给出刀具偏离理论中心的坐标关系式。 基于低刚度轮缘的铣削变形模型和细长径铣刀的铣削变形模型,建立了变曲率弹性铣削力模型。该模型中结合周铣自由轮廓时曲率沿路径连续变化的特点,建立了变曲率弹性工艺几何模型;基于低刚度工件的铣削变形和细长径铣刀的弹性铣削变形以及偏心跳动对瞬时铣削厚度和瞬时切削啮合角的影响,建立了低刚度工艺系统的铣削力模型;采用Newton-Raphson迭代算法,仿真出铣削摆线轮整个轮廓时的铣削力、铣削变形以及刀具的铣削变形,并结合铣削试验,验证了铣削变形模型和铣削变形测试结果,以及变曲率弹性铣削力与铣削力测试结果比较一致。 根据仿真和试验结果可知,低刚度工艺系统中工件的弹性铣削变形和工艺几何模型对瞬时切削啮合角、瞬时铣削厚度的影响较大,因此,对弹性铣削力的影响较大;铣削变形与轮盘的刚度、轮缘张角、轮廓的结构形式以及轮缘厚度密切相关,且轮盘厚度和轮缘厚度均具有均载作用,其中,轮盘厚度相对轮缘厚度的均载作用较大;另外,低刚度工件的铣削变形和细长径铣刀的弹性变形在高精度的铣削过程中对工件轮廓加工精度的影响较明显,铣削变形和铣削力之间关系复杂且密切相关,并进一步影响低刚度零件的加工精度。另外,铣削力与加工参数密切相关。


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