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铣削动力学高效分析方法及其在五轴加工中的应用研究

代月帮  
【摘要】:解决加工过程中的振动问题是实现高端制造的重要前提之一,在众多切削振动类型中,由不合适的切削参数组合(主轴转速和切削深度)引起的自激振动也即颤振对加工系统危害最大,因为它不仅会影响到工件的表面加工质量,而且会加剧刀具磨损和破损,降低机床的使用寿命,强烈的颤振引起噪音还会刺激操作工人产生疲劳。从加工动力学角度来看,避免切削颤振的重要手段是对加工系统进行稳定性分析,构建出临界稳定切深与主轴转速之间的函数关系也即叶瓣图,指导工艺参数优化。因此,建立高效、高精度铣削动力学分析方法是准确获得稳定加工区域的前提和基础。球头铣刀是切削领域应用最广泛的刀具之一,五轴数控加工是典型的高柔性机械加工方式,实现球头铣刀无颤振五轴加工意义重大。本文以铣削动力学分析为主线对加工稳定性与动态加工误差同步预报、球头铣刀五轴加工动力学建模等内容进行了研究,主要包含以下几方面:(1)提出了基于牛顿多项式的加工稳定性分析方法,通过对比不同阶方法的计算性能,确定出了最佳牛顿多项式预测方法。与国际上目前通用的一阶、二阶、三阶全离散法,半离散法,完全离散法,和龙格库塔完全离散法相比,该方法只经过一次离散化,局部离散误差达到了六阶,具有明显高的预测精度。同时所构建出的状态转移矩阵存在相当多的耦合项,节省掉大量的计算时间,达到了效率和精度兼顾的目的。(2)将所提出的加工稳定性分析方法运用在工件表面动态加工误差预测中,建立了仅依赖于主轴转速而与切削时间无关的稳态量系数矩阵,在获得高精度预测结果的同时大幅降低计算时间,实现了加工稳定性与动态加工误差同步高效预报。(3)建立了考虑径向切深变化的球头铣刀五轴加工切削力系数辨识方法。开发出非槽切球头铣刀五轴加工切削力辨识模型,分析了传统辨识模型中忽略的径向切深对切削力系数的灵敏度,揭示出了不存在某一径向切深计算出来的切削力系数能够适用于所有工况这一现象,为了避免由于径向切深变化而引起的重新辨识实验,利用高次多项式搭建出了切削力系数与径向切深之间的函数关系,实现了对任意径向切深处的切削力系数准确标定。(4)建立了基于刀具-工件接触区域几何模型的球头铣刀五轴加工稳定性预测方法。利用所提出的最佳牛顿多项式预测方法在每个主轴转速-切深组合处建立起表征五轴加工状态的转移矩阵,该矩阵与一个切削周期内刀刃瞬时动态切削片段的极限轴向角存在映射关系,通过空间转换关系获得刀具-工件接触区域边界的解析表达式,确定出切深-切削周期离散平面内任意坐标值所对应的刀刃参与动态切削上下限的轴向角,将其与状态转移矩阵预留“接口”相连接,高效地构建出了球头铣刀五轴加工颤振稳定域叶瓣图,并对其进行了有效性试验验证。综上所示,本文在铣削动力学建模和分析方面所做的工作能够为高性能加工提供技术支持和应用指导。


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