基于分布力模型的车削稳定性研究

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切削稳定性在金属切削参数优化中具有重要作用。难加工材料如AISI304奥氏体不锈钢,因其材料力学性能优越而得到广泛应用,但其抗拉强度和屈服强度高、延伸率高、导热率低,在切削加工中带来诸多技术挑战,如切削线速度低、容易粘刀且切削过程容易发生颤振,导致生产效率低、加工精度差。在低速切削中,理论预测的稳定性极限与实际实验结果相比偏低。考虑到AISI304奥氏体不锈钢加工过程中的粘性,切削时材料和刀具前刀面接触区域较长,为准确预测低速阶段的稳定域,本文进行了基于分布力模型的车削稳定性研究,主要工作如下:  在直角切削中,考虑再生效应,基于分布力模型,建立了工件-刀具系统的动力学方程(时滞微分方程)。不同于传统的刀尖点模型,考虑切削力分布在刀屑接触面上,通过对切屑流动的分析建立了基于分布力模型的动力学方程,并对刀具前刀面的剪切应力分布、刀屑接触长度及切屑流动速度进行了分析;而后对工件-刀具系统的动力学参数进行了标定。  结合数值积分法提出了求解基于分布力模型的动力学方程的算法。针对指数函数形式的分布函数,通过对动力学方程求导/简化去积分项,将其转化为普通的时滞微分方程并利用数值积分法求解;针对各种函数形式的分布函数,将积分项视为非齐次项,利用数值积分法求解动力学方程,然后利用Newton-Cotes公式处理积分项求得传递矩阵,并利用Floquet定理判稳。  分析了切削力分布函数对切削稳定性极限的影响。研究了指数函数、分段函数、正弦函数等形式的分布函数对稳定域的影响,计算结果表明,指数函数由于积分区间与其它函数不同,求解得到的稳定域有较大差别,而其它分布函数求解得到的稳定域则一致(相近)。通过利用极小r值时的分布力模型逼近刀尖点模型,可求解得到与频域法一致的稳定性极限。  通过进行直角切削实验对分布力模型的准确性进行了验证。切削力的分布为指数函数形式时,预测的切削稳定性极限与实验结果较为吻合。切削力的分布为分段函数形式时预测值略有偏低。
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