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车削颤振的动力学建模与分析

王安  
【摘要】:切削颤振是切削加工过程中影响加工质量、限制切削效率、降低机床和刀具使用寿命甚至导致事故的主要原因之一。因此,研究和分析切削过程中颤振的动态响应特性,对揭示切削颤振发生的机理,实现对切削颤振的预测和控制有重要的理论意义和工程实用价值。本文主要采用动力学建模、数值模拟和实验相结合的方法,应用非线性动力学基础理论与方法对由刀具和工件组成的车削颤振系统的动力学特性进行了研究。分析了不同因素影响下,车削颤振系统的动态响应特性,发现车削颤振系统具有周期运动、多周期运动、准周期运动、混沌运动、或多种运动形式共存。本文主要研究内容和结果包括以下几个方面:(1)基于再生型切削颤振机理,建立了刀具热变形影响下的单自由度再生型车削颤振动力学模型。对比分析了不同程度刀具热变形对车削颤振系统的动力学特性和分岔特性的影响;通过对比不同刀具热变形影响下的刀具颤振位移随切削速度变化的分岔图以及动态响应图,发现刀具热变形因素会导致车削系统提前失稳。(2)考虑刀具和工件同时发生热变形,建立了车削颤振系统的二自由度再生型车削颤振动力学模型。利用车削颤振系统位移的分岔图和Poincaré截面,发现热变形会影响车削颤振系统的动态响应特性,导致混沌运动提前发生并且混沌运动对应的参数区间增大,尤其在高速车削时影响更为明显。另外,热变形会影响车削颤振系统的初始平衡位置。(3)完善了二自由度摩擦型车削颤振动力学模型,通过对比分析不同工件转速条件下刀具颤振位移随进给速度变化的分岔图、相图和Poincaré截面,发现随着工件转速和进给速度的增大,刀具在切削方向的颤振位移增大,但是刀具在进给方向的颤振位移反而减小。另外,粘滑现象仅在切削方向上出现。(4)建立了三自由度摩擦型车削颤振动力学模型,分析了三个方向上刀具颤振位移随转速变化时的分岔图、时序图和功率谱,发现随着工件转速的变化,在进给方向和切削方向,刀具颤振表现出了多种动态响应特性,而在工件轴向上,只呈现混沌运动。较高的工件转速对刀具颤振位移的抑制作用明显,特别在工件轴向上。(5)基于完善后的二自由度摩擦型车削颤振动力学模型,研究了不同切削速度和刀具前角的变化对刀具颤振的动态响应特性和分岔特性的影响。发现不同切削速度和刀具前角作用时,较高的切削速度时刀具稳定性较好,且刀具颤振过程中的粘滑现象消失;发现较大的接触刚度有利于减小刀具的颤振位移;且接触刚度和切削速度对刀具颤振的动态响应特性和分岔特性都存在一定程度的影响。另外,当切削速度较大时,尽管接触刚度大小不同,但是刀具都保持了很好的稳定性。(6)建立了单自由度摩擦再生型车削颤振动力学模型,对不同大小摩擦切削力和再生切削力对切削颤振系统分岔特性的影响进行了研究。发现不同大小摩擦切削力和再生切削力对车削颤振系统的分岔特性存在影响,较大的再生切削力更易于导致刀具发生切削颤振,同时导致刀具的颤振位移增大。与此同时,较大的摩擦切削力可以有效抑制刀具颤振位移,但是也会造成刀具初始平衡位置发生偏离。(7)利用三向动态车削力测试系统,通过实验研究了主轴转速和进给速度影响下的三个方向上车削力的动态响应特性变化。实验结果表明,动态车削力存在不同程度的周期运动、分岔和混沌运动特性,这也间接表明,车削过程中切削颤振系统会存在周期运动、混沌运动以及分岔行为。


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