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航空薄壁件高速铣削过程中的稳定性分析及控制

李长城  
【摘要】:近年来,随着航空航天技术的飞速发展,人们对于飞机和航天器的机动性能、结构强度等要求不断提高。为了减轻现代飞机和航天器的重量,提高其整体结构强度和使用性能,薄壁整体结构件引起了人们的广泛关注。然而由于薄壁件结构形状复杂、刚度差,在整体铣削加工过程中刀具/工件系统极易发生铣削颤振,加工工件极易变形,进而对工件的表面加工质量造成许多不良影响,同时也加速了对铣削刀具的磨损、降低切削刀具的使用寿命,严重时甚至将导致铣削刀具的报废。因此,研究高速铣削过程中颤振机理,建立铣削系统动力学模型,对分析薄壁件铣削加工过程的稳定性具有十分重要的意义。本文的主要工作体现在以下几个方面:首先,基于半离散法分析了不同切削参数对铣削系统稳定性的影响。在铣削系统中分别以切削参数(径向切深率)、模态参数(刚度、阻尼比和固有频率)以及刀具的结构参数(刀齿数)等参数为变量,在其他参数不变的前提下对铣削系统稳定性进行了分析对比。通过应用MATLAB编程分析得到了在不同参数下铣削系统稳定性变化规律,为铣削过程中的参数选择提供了数据支持。其次,在预测薄壁件加工系统的颤振稳定性时,考虑了材料去除对工件动态特性的影响,提出了通过结构修改的策略来获得薄壁件动力学参数的方法。该方法对工件的初始状态进行动力学建模,通过对初始模型进行结构修改获得铣削加工中工件的动力学模型。避免了材料去除导致的对工件重复建模以及大规模方程组的模态分析,从而提高了在预测薄壁工件铣削稳定性时的工作效率。再次,建立了以刀具/工件相对位置、主轴转速和轴向切深为坐标的三维稳定性叶瓣图。基于结构动态修改的方法,对薄壁件铣削过程中刀具/工件不同相对位置的系统稳定性进行预测,得到了铣削系统在不同刀具/工件相对位置点的二维及三维稳定性叶瓣图。最后,将磁流变阻尼减振器应用于薄壁件铣削过程中的颤振抑制。设计了一种磁流变阻尼减振器结构,将约束阻尼结构和磁流变结构有效结合起来,能够更有效的吸收切削过程中产生的振动。并通过仿真分析具有/不具有磁流变阻尼减振器时工件的振动位移变化。采用半离散化方法,建立了具有/不具有磁流变阻尼减振器的过程的稳定性极限对比图。通过分析发现具有磁流变阻尼减振器的铣削加工系统能够有效地抑制铣削颤振。论文的研究为航空薄壁件铣削过程中稳定性的分析及控制提供了基本的研究思路和方法,为优化薄壁件铣削加工过程,选择适当的切削参数,提高铣削加工系统精度和整体生产效率提供了理论基础。


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