铣削颤振稳定性频域方法分析研究

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铣削越来越成为一种主要的加工制造方式,被广泛地应用于金属制造业中。颤振是机床切削过程中出现的一种最主要的动态不稳定现象,严重影响工件表面质量和生产率的提高,并且还会造成刀具的破坏和磨损,降低了机床和刀具的使用寿命,还会造成一些不必要的损失,还有可能引发事故。而且颤振发生时产生的刺耳声音对工人也会造成很大的危害。铣削加工过程中的振动控制是当前机械设计及制造领域的前沿课题之一,具有重要的应用价值。本文以铣削加工作为研究对象,在总结前人研究成果的基础上。对加工过程进行动力学分析和稳定性极限预测,主要工作如下:(1)考虑铣削加工过程中的再生效应,建立了二自由度铣削动力学模型,将二自由度铣削过程动力学模型的周期系数延时微分方程转入频域表示,使用Nyquist稳定性判据计算到了系统稳定性极限的频域解析解,并提出铣削颤振稳定性的频域分析方法。介绍了频率方法中得单频方法和多频方法,随着刀具的旋转,定向因子随时问变化,这是铣削和其他车削加工之类切削力方向恒定的加工方式最根本的区别。由于定向因子具有周期性,可以展成傅里叶级数,单频方法就是平均傅里叶系数法,而多频方法是将定向因子展成傅里叶级数来求解。当切削宽度比较小时,铣削力的波形很窄并且是间断的,这样的波形很窄并且是间断的,这样的波形在平均值外有很强的谐波力量,因此要用到多频方法。并利用这两种方法提出相应的稳定性判据。(2)基于动态铣削模型和稳定性频域分析理论,预测两自由度铣削加工系统的稳定性极限,并通过仿真进行验证。接着,又研究了多频方法随着阶数的增加,叶瓣图的差异性。并分析了刀具刚度和阻尼等因素对叶瓣图稳定性的影响。(3)进一步考虑了过程阻尼的影响,建立了基于过程阻尼的动态铣削模型,并进行了稳定性极限预测和分析,研究发现在低速旋转的情况下,由于过程阻尼的影响,与未考虑过程阻尼时的叶瓣图相比,会出现明显的上升趋势,转速越低叶瓣图上升越大。随着转速的提高过程阻尼的影响越来越小。即过程阻尼对低速运转的影响更大,最后利用仿真来验证叶瓣图的准确性。本文在铣削加工过程的动力学分析和稳定性极限预测方面的工作,对加工过程工艺参数优化、实现高效率的加工及提升铣削工艺水平具有非常重要的实际生产意义。
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