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高速铣削稳定性及加工精度研究

宋清华  
【摘要】: 高速铣削加工技术是先进制造技术中最重要的基础技术之一,已成为21世纪先进制造技术的重要组成部分,被广泛应用于航空航天、汽车、模具、能源、轨道交通等众多领域。高速铣削实现高速、高效和高精度加工的关键限制因素之一,是铣削过程中的振动。本文以航空铝合金7050-T7451为研究对象,围绕高速立铣刀铣削过程中存在的多种振动形式,借助理论分析和试验研究等手段,以提高切削效率、保障加工精度为主要研究目标,对高速铣削过程中振动的产生机理、影响因素以及与加工精度的关系进行系统、深入地研究。 考虑每齿进给量、主轴-刀柄-刀具偏心、再生效应、刀具-工件静态变形和后刀面与已加工表面间的“耕犁力”或“刃口力”等因素的影响,建立整体硬质合金立铣刀高速铣削系统四自由度(4-DOF)动力学模型;将螺旋齿立铣刀的切削过程分为三部分,研究螺旋角对刀具-工件动态切削区的影响,并从动力学角度解释,当轴向切削深度等于齿距时,螺旋齿铣刀系统稳定性极限中不出现倍周期分叉的原因;利用有限元法,建立薄壁件铣削系统的时变参数周期延迟微分方程;考虑进给量和刀具振动对延迟时间的共同影响,建立2-DOF状态再生延迟动力学模型,根据Frechet微分理论,对该模型进行周期状态延迟微分方程的线性化研究。 通过变每齿进给量试验,针对航空铝合金7050-T7451,获得切削力模型中的切削力系数,同时运用试验模态分析方法,获得七种整体超细晶粒硬质合金立铣刀系统的模态参数;并探讨铣削过程中存在的振动频率及分叉形式;研究切削参数对系统稳定性的影响规律,建立铣削系统的三维稳定性极限曲面;探讨1-DOF、2-DOF和4-DOF铣削系统稳定性极限之间的关系;另外,在精确估计变速铣削系统延迟时间的基础上,从变速的影响机理出发,研究转速的调制幅度和调制频率对系统稳定性极限的影响规律,建立变速铣削系统的三维稳定性极限曲面,并对调制幅度和调制频率进行优化选择。 研究刀具主要结构参数对铣削系统稳定性的影响规律,建立考虑刀具悬伸长度的三维稳定性极限曲面;探讨不等齿距铣刀系统的稳定性问题,并研究此种铣刀对铣削颤振的抑制作用机理;建立薄壁件铣削系统的三维稳定性极限曲面,探讨薄壁件铣削稳定性极限与刀具加工位置的关系;另外,提出并建立基于铣削均匀性和稳定性结合的高速立铣刀结构参数设计理论。 根据共振区理论和前后连续两刀齿切削过程的相位差的三种临界状态,给出六种主轴转速,并将高速铣削稳定区划分为四部分;依据Floquet理论的单值矩阵的特征乘子与单位圆的关系,推导高速铣削系统的稳定性判据,给出高速铣削系统稳定性极限图的绘制方法;利用共振区与稳定区在稳定性极限图中的位置关系,提出一种适合试验现场的简单、快速获得系统稳定性较好的极限值的方法;以最大稳定性的材料切除率为优化目标,以加工过程稳定且非共振为约束条件,以系统的结构参数和切削参数为优化变量,提出一种同时考虑自激振动和强迫振动的动态优化方法,此优化方法适合粗加工或半精加工等对加工精度要求不太高的高效加工过程;基于平均切削力理论模型,提出一种获得最优径向切削深度的研究方法;利用最优控制理论,建立一种新的稳定区一最优稳定区,将传统稳定区进行细分;结合最优径向切削深度理论和最优稳定区理论,提出一种获得最优切削参数的研究方法,所获得的最优切削参数适合精密加工、超精密加工等加工精度要求较高、加工过程要求稳定且抗外界干扰能力较强的加工过程。 在切削稳定区内,从系统响应的角度,研究动态表面位置误差的产生机理;运用谐平衡法,计算获得强迫振动在工件已加工表面产生的动态表面位置误差,并研究各种系统参数(主轴转速、径向切削深度、刀具齿数、刀具螺旋角和刀具悬伸长度等)对动态表面位置误差的影响规律;另外,通过铣削试验,对比研究稳定非共振切削、稳定且共振切削和不稳定切削三种工况对薄壁件铣削加工前后和时效前后的变形量的影响规律;最后,研究振动对航空整体框类零件加工变形的影响规律,并探讨不等齿距铣刀对航空整体结构件加工变形的改善作用。 本课题得到国家自然科学基金重点项目“大型航空整体结构件加工变形机理及精度保障技术(50435020)”的支持。


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