基于时域仿真法的断续铣削颤振预测

颤振是影响铣削加工表面质量和限制切削效率的重要原因,准确获取稳定性叶瓣图是避免颤振的有效途径.精加工铣削常使用小径向切深/刀具直径比,产生过小的实时切削厚度,刀具容易脱离工件,造成显著非线性因素;过小的径向切深/刀具直径比也导致铣削加工高度断续.因此,常用的圆弧切削厚度已不能近似实际切削厚度,进而影响断续铣削加工颤振预测.采用考虑实际切削厚度的时域仿真法预测断续铣削加工颤振稳定性.该方法使用刀具实际运动轨迹计算切削厚度,并综合考虑了铣削过程中刀具和工件的动力学特性对切削厚度的影响.提出基于相关系数的无量纲颤振判定准则,并用于铣削仿真结果加工状态的判定.通过钛合金Ti6Al4V铣削验证试验结果,所提出的时域仿真法能准确预测小径向切深/刀具直径比所致的断续铣削加工稳定性叶瓣图,为高断续铣削加工无颤振加工参数选择提供了一种有效方法.     

高速铣削再生颤振稳定性预测与验证

再生型颤振是制约高速铣削加工效率和零件加工质量的主要因素。以高速铣削加工为研究对象,建立了考虑再生效应的高速铣削动态铣削力模型和颤振稳定域解析模型,通过模态实验获得机床-刀具系统的频响函数,在此基础上综合使用铣削稳定性判据进行数值分析,获得了高速铣削颤振稳定域的解析解。最后,进行了零件颤振稳定性铣削加工实验,实验得到的结果与仿真结果吻合良好,由此验证了建立的颤振系统动力学模型和颤振稳定性解析模型的正确性。     

微铣削再生颤振动力学建模及稳定性分析

再生颤振是制约微铣削加工效率和加工质量的主要因素.以微铣削加工为研究对象,建立了考虑再生效应的微铣削颤振系统动力学模型和颤振稳定域解析模型,通过模态实验获得机床-刀具系统的频响函数,在此基础上综合使用铣削稳定性判据进行数值分析,获得了颤振稳定域解析解.最后进行了颤振稳定性加工实验,实验结果与仿真结果吻合良好,验证了建立的微铣削颤振系统动力学模型和颤振稳定域解析模型的正确性.     

基于自适应变分模态分解与功率谱熵差的机器人铣削加工颤振类型辨识

机器人铣削加工存在模态耦合颤振和再生颤振现象,有效地进行机器人铣削加工颤振类型的辨识是进行颤振精准抑制和保证加工质量的基础。为此,提出一种基于自适应变分模态分解与功率谱熵差的颤振类型辨识(AVMD-ΔPSE)方法。通过分析机器人铣削加工颤振特性和主导模态,将机器人铣削颤振分为机器人结构模态主导的模态耦合颤振和刀具-主轴结构模态主导的再生颤振两种类型。为了提取颤振敏感子信号,利用自适应变分模态分解方法对原始信号进行分解,根据功率谱熵和频率消除算法设计功率谱熵差颤振类型辨识指标,结合多组试验数据采用高斯混合模型自适应地确定辨识指标最佳分类阈值。颤振辨识试验表明机床铣削加工颤振辨识方法运用于机器人铣削加工中仅能识别颤振却无法区分不同的颤振类型,而AVMD-ΔPSE方法能准确有效地辨识和区分机器人铣削加工中的模态耦合颤振和再生颤振,为机器人铣削颤振的针对性抑制提供理论指导。     

基于填充曲线刀具路径的数控铣削过程物理仿真

研究了采用一类填充曲线刀具路径进行数控铣削加工时,铣削过程的动态特性,推导了带有一般意义的瞬时名义铣削厚度算式,并通过数字物理仿真,探讨了填充曲线刀具路径对铣削过程颤振的抑制作用,结果表明,提出的截法线法能有效地解决数控铣削过程瞬时名义铣削厚度的计算问题,同时对不同刀具路径的铣削过程动态特性仿真结果表明,Hilbert填充曲线刀具路径能有效地抑制铣削过程再生颤振的发生与发展,对提高机械零部件加工效率和加工表面质量有重要作用。     

立铣加工钛合金颤振稳定域的研究

为了优化铣削加工中的切削参数来减小或避免再生颤振的发生,在切削加工再生颤振理论的研究基础上,以硬质合金立铣刀粗加工钛合金TA15为研究对象,建立了刀具的动力数学模型,对再生颤振稳定域在频域内进行求解;对再生颤振稳定域解析算法进行程序设计,通过提供由动态铣削实验获得的铣削力系数和由模态分析实验获得的模态参数等程序所需参数计算得到与主轴转速和轴向切深二者相关的颤振稳定域叶瓣图;最后通过对钛合金TA15进行立铣加工实验验证了颤振稳定域解析算法的准确性。     

基于内置力执行器的铣削颤振的主动控制

高速加工中铣削颤振不仅降低工件的表面加工质量,严重时还会造成刀具或者其他加工部件的损坏,因此对电主轴铣削颤振进行控制具有重要的意义。为对电主轴铣削过程中的颤振进行有效控制,在双绕组无轴承感应电动机的基础上,提出一种具有内置力执行器的感应型高速电主轴结构,建立电主轴—刀具系统的有限元模型、动态铣削模型、双绕组感应型电主轴电磁力模型,在对具有内置力执行器的感应型高速电主轴电磁力进行解耦后,提出基于内置力执行器的电主轴铣削颤振的主动控制方案,通过仿真分析控制器的主要参数对电主轴铣削稳定性的影响。结果表明采用具有内置力执行器的感应型高速电主轴能够有效地提高电主轴铣削的稳定区域以及在抑制铣削颤振方面具有明显效果。     

多硬度拼接淬硬钢铣削动力学分析

颤振是金属切削加工过程中由于刀具和工件之间相互作用所产生的一种强烈的自激振动现象,会导致切削力幅值增加且发生剧烈波动,进而降低工件表面质量和刀具使用寿命。针对此问题,基于铣削过程稳定性预测分析方法建立多硬度拼接工件的动态铣削系统,对多硬度拼接模具铣削过程稳定性进行深入研究,实现了对拼接模具铣削加工过程颤振稳定域的仿真,进而研究了模态参数对稳定性叶瓣图形状的影响。最后通过时域分析、表面形貌和刀具磨损的研究,综合验证了稳定性预测曲线的精度。研究结果为多硬度拼接模具铣削加工提供理论基础,并设置合理的加工参数来实现金属最大切除率,为大型汽车覆盖件模具铣削加工提供理论依据及技术指导。     

基于小波包能谱熵的铣削颤振监测方法

针对切削加工过程中容易出现颤振,导致零件表面加工质量降低,本文以铣削加工为研究对象,提出了基于小波包能谱熵的铣削颤振监测方法。信号的采集是一个连续的过程,为避免刀具不参与切削对这种方法的影响,本文提出基于铣削力幅值平方和的方法以识别刀具是否参与切削。试验结果表明,无论对于刀具是否参与切削的识别或者是否出现铣削颤振的监测都能有效的监测。     

铣削颤振在线智能控制方法研究

针对铣削加工中颤振降低加工效率的情况,研究了颤振在线自主识别与控制的方法。使用传感器拾取加工状态信息,提取振动信号时域均方差特征及频域幅度谱特征,提出了具有广泛适用性的颤振在线识别算法。以2π作为刀具前后两次铣削振纹间的最优相位差,依据颤振频率调整主轴转速,消除颤振。以SIEMENS 840D系统为平台研究了机床转速在线实时调整的方法。进行了铝合金工件的铣削实验,验证了颤振在线抑制、提高加工效率的有效性。     

数控型腔铣削加工稳定性预测

数控型腔铣削加工过程中,铣刀进入拐角时,刀具-工件间啮合信息的变化通常会引起颤振。针对这一状况,在用半离散算法对刀具-工件啮合状况恒定铣削加工稳定性预测的基础上,结合数控型腔铣削加工过程中加工路径引起的刀具-工件间啮合信息的变化,针对给定的加工路径提出了型腔铣削加工稳定性预测的方法。试验证明,该方法能在数控加工时对型腔加工过程中的铣削稳定性进行成功预测。     

考虑刀具和工件动态耦合特性的薄壁件铣削稳定性研究

针对薄壁零件加工过程中的颤振现象,考虑刀具和工件的动态耦合特性,建立多自由度铣削颤振模型,并针对刀具和壁板类薄壁工件进行模态实验,获取相对传递函数,采用解析法(ZO A)绘制了颤振稳定性叶瓣图。通过对比仅考虑刀具或工件的动态特性,最终得到薄壁件多自由度系统稳定性极限预测模型。该模型精确绘制了薄壁件铣削稳定性叶瓣图,对以后的生产加工提供指导。     

模具平面铣削加工动态仿真研究

在平面铣削颤振产生机理的基础上,简单论述了一种更精确有效的动态铣削力理论模型的建立过程,该模型充分考虑瞬态切屑的厚度及有效前角对动态铣削力的影响。在此基础上,运用数字仿真技术在频域内建立起动态铣削力和刀具-工件系统的相对振动位移的计算机仿真模型。利用该仿真模型,可以实时显示不同工艺参数和加工参数状态下动态铣削力的数值及其功率谱密度图形以及刀具-工件系统的动态振动位移图形。仿真结果将为预测和消除铣削过程的颤振现象,保证加工质量和加工效率,延长刀具使用寿命提供可靠的依据。     

铣刀磨损对铣削稳定性及表面位置误差的影响

为了分析刀具正常磨损后铣削颤振稳定域和表面位置误差,对刀具不同磨损状态下的切削力系数进行辨识,基于全离散法研究刀具正常磨损后铣削颤振稳定域和表面位置误差特性。发现当刀具正常磨损后,铣削系统的稳态临界切深呈现上升的趋势;随着工件表面洛氏硬度的提高,铣削系统稳态临界切深逐步下降,刀具正常磨损后临界切深与后刀面无磨损临界切深的差别逐步变小;在稳定域的局部会出现表面位置误差增加的情况。试验表明,该理论模型可以有效优化刀具正常磨损后的加工参数。     

薄壁零件铣削加工稳定性极限分析

针对薄壁零件铣削加工颤振稳定性问题进行了分析研究。综合考虑刀具子系统和工件子系统动态特性,采用三自由度弹性-阻尼系统,建立了适合薄壁零件的三维动态铣削力模型,求出了高速铣削稳定性极值解析解。根据模态锤击实验获得的频率响应函数(FRF frequency response function),绘出了铣削加工颤振的稳定性图形,并通过实验证实了稳定性图的有效性和准确性。     

基于数值模型的数控加工中切削力与稳定域仿真

针对数控铣削加工工艺参数选择存在的问题,以球头铣刀高速铣削过程为研究对象,建立了考虑机床-刀具-工件系统振动的非线性动力学模型,分析了铣削力中的动态分量对切削颤振的影响,在考虑再生颤振的基础上建立非线性动力学模型.基于动态铣削力建模和颤振稳定域分析计算,提出了机床切削系统稳定性极限预测方法,并对其进行仿真分析,为铣削加...     

细长类结构零件的高速铣削工艺参数优化研究

在铣削加工过程中,细长类结构零件易出现颤振而导致加工表面质量变差,选用工艺参数保守易导致加工效率降低,针对这些问题,以长桁零件为例,开展了高效铣削参数的优化研究。首先,根据锤击试验获取了刀具系统的动力学特性参数;其次,建立了不同工况下工件系统的有限元模型,进行了谐响应分析,并获取了零件加工过程中的动态特性;结合刀具系统和工件系统的动态特性,建立了工艺系统的颤振稳定域;最后,建立了以加工效率和刀具寿命为目标函数、切削参数为变量、以切削稳定性为主要约束条件的参数优化模型,并通过粒子群算法获得了铣削参数的全局最优解。研究结果表明:使用优化后的切削参数进行加工,可有效消除切削加工过程中的颤振现象,且加工的效率平均可提高19%;该工艺参数对避免细长结构零件在工艺准备初期发生颤振具有一定的借鉴意义。     

基于颤振预报和预测的稳定性控制理论及方法研究

针对由颤振预测控制策略指导的稳定切削控制方法实时动态调整能力差的缺点,综合颤振预报、预测理论,进行了稳定性在线寻优控制理论及方法的研究。基于刀具—工件系统铣削再生颤振动力学模型,研究了考虑系统结构参数(刀具、工件装夹刚度)和加工参数(切削加工参数优化选择)的切削稳定性评价方法,提出了以扩大稳定性区域和稳定最大材料切除率为控制目标的机床稳定性控制方法。形成了以"预报—控制—效果评估—再控制"为步骤的在线监测、智能诊断和实时控制的集成一体化策略。设计并实施了稳定性控制理论验证实验,获得了与理论分析一致的结论。     

薄壁零件高速铣削稳定性预测与验证

针对薄壁零件高速铣削加工系统小刚度、动态变化的频响特点和高阶动态特性,研究其无颤振稳定铣削的极限预测理论。针对薄壁结构小刚度的频响特性,建立由刀具子系统和工件子系统之间的相对动态特性决定的铣削动力学模型和无颤振稳定切削的临界条件;针对高速铣削的高转速特点,建立基于多自由度系统高阶动态特性的稳定性极限预测模型;针对薄壁结构在加工过程中其动态特性的时变性,提出通过跟踪工件在不同加工阶段的动态特性进行稳定性极限预测的方法。对典型薄壁结构进行切削试验,试验结果验证了所提出的稳定性预测模型和预测方法的有效性。     

长悬臂铣刀铣削颤振的分析与抑制

长悬臂铣削颤振一直是机械加工工艺难点问题,国内外专家学者长期不懈地对此问题进行了研究,并取得了一定的成果。数控刀具的快速发展为解决此类问题提供了常规方式,比如减振刀杆,但这只是其中的一个方法,并不能保证颤振完全消失。本文对颤振机理、铣削过程进行了分析研究,通过对刀具几何角度的选择和走刀路径的优化,来达到更多地抑制长悬臂铣削颤振的目标,为解决长悬臂铣削颤振问题提供了有效方法。