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车铣加工中心动态特性及其加工机理的仿真与实验研究

朱立达  
【摘要】: 随着科学技术的快速发展,高档数控机床正向高速度、高精度、高效率、复合化方向发展,具有诸多优点的车铣加工中心是现代数控机床发展方向之一。车铣复合功能的数控机床是近年来适应产品的复杂化和生产的高效率要求而发展很快的机种,可实现复杂零部件一次装夹,完成全部加工工序,可以大幅度提高生产效率和加工精度。该加工中心可同时采用多种工艺加工方法及复杂曲面加工,这是航空、航天等军工产品所需要的;但研究开发一台车铣加工中心需要多种方案的反复比较及试验,也需要大量的技术投资和较长的开发周期。 随着信息技术的快速发展,计算机建模与仿真成为21世纪制造业发展的重要技术,为车铣加工中心的设计、制造和加工等方面提供了重要手段。如何利用现有技术有效地分析其动态特性、加工性能等关键技术,成为车铣加工中心亟待解决的问题。本文通过采用计算机建模与仿真技术对车铣加工中心的若干关键技术进行理论建模、仿真和实验综合分析,为其结构优化、控制系统设计和加工可行性提供重要参考依据。全文的主要研究内容如下: (1)论述课题研究的背景以及车铣加工中心国内外发展的现状,分析车铣加工中心的特点及亟待研制的必要性;综述计算机建模与仿真技术在国内外发展状况及在高档数控机床上的应用与研究,论证将计算机建模与仿真方法引入到车铣加工中心进行研究的必要性和前沿性。 (2)采用虚拟样机与有限元集成方法对车铣加工中心进行协同建模,形成具有刚柔耦合的虚拟样机模型:基于此模型对车铣加工中心进行运动学和动力学仿真分析,解决电机参数选择和机构设计等问题。该集成仿真方法不仅接近实际情况,而且为加工中心的电机选择和结构设计以及控制系统的设计提供参考依据。 (3)首先采用弹簧-阻尼单元模拟轴承支撑的方法对车铣加工中心关键部件进行模态分析,获得轴承刚度对固有频率的影响规律以及在频响应分析中轴承刚度和阻尼对振幅的影响规律;然后采用虚拟样机与有限元集成方法建立车铣加工中心的振动模型,形成了具有刚柔耦合的振动系统,通过对此模型进行激振仿真并获得整机的固有频率和位移响应,为该机床的结构设计提供参考依据;最后采用实验模态测试方法,验证激振仿真结果的可靠性。 (4)针对正交车铣复杂运动所产生的变切深、变厚度的切屑问题,有效建立无偏心切屑和有偏心切屑的理论模型,分别仿真出圆周刃的切削厚度和深度、端面刃的切削厚度和深度随铣刀转角的变化规律。通过三维切屑几何形状与实验形状进行对比分析,所建立的正交车铣三维切屑模型是正确的。 (5)采用针对车铣切削力的数学建模方法,分别对无偏心切削力和有偏心切削力进行仿真,并获得切削力随铣刀转角的变化规律。基于车铣加工颤振机理建立其三维颤振理论模型,获得传递函数和车铣加工稳定域叶瓣仿真结果图。通过实验验证可知,传递函数和颤振稳定域的仿真是有效的,可以为加工表面质量和加工效率提供指导。 (6)采用车铣加工轨迹构造函数的方法,建立其表面形貌的数学模型,然后通过对表面形貌和表面粗糙度进行计算机仿真,获得出不同的加工工艺参数对表面形貌的影响规律。最后采用车铣加工表面形貌的实验方法,验证建模与仿真方法的有效性和可行性。


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