基於子結構耦合的高速銑削穩定性快速判定

《基於子結構耦合的高速銑削穩定性快速判定》是依託西安交通大學，由張俊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於子結構耦合的高速銑削穩定性快速判定
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張俊
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

切削穩定性是影響高速切削加工質量與效率的重要因素，判定所選工況參數下的切削是否處於穩定區域通常採用穩定性極限圖，以往常用的錘擊法獲取該圖速度慢且工作量大，尤其是當工具機系統部件更換時，必須重新進行測試。本項目以高速銑削加工為背景，針對主軸系統的組成，提出一種基於子結構耦合的工具機系統頻響特性快速求解技術，從而實現切削穩定性的快速判定。該方法將影響切削穩定性的主軸系統分為刀齒、刀桿、刀柄、主軸以及工具機其它部件等五大子結構，分別求解其頻響特性。對於刀齒採用三維有限元計算得到；刀桿和刀柄採用等效直徑梁模型求解；主軸與工具機其它部件則採用錘擊法獲取。最後通過五部分的頻響特性耦合獲得整機反映在刀尖點的切削穩定性極限圖。當刀具或刀柄更換時，只需計算其相應的頻響函式即可快速重新構建穩定性極限圖，從而實現快速精確的判定。該方法可以為高速加工中工藝參數的最佳化提供快速解決途徑。

結題摘要

高速/超高速加工由於具有效率高、加工精度好等優點現已逐步套用於航空航天、發電設備等行業的結構件加工上，然而影響其有效高速加工的一個主要因素就是顫振。在實際工程中為避免顫振發生的一個有效方法是藉助於該工具機的切削穩定性極限圖來選擇合適的切削參數。本項目以三軸立式銑床（加工中心）為研究對象，探索工具機整機頻響函式的快速獲取方法，從而達到快速構建整機切削穩定性極限圖的目的，實現高速銑削加工穩定性的快速判定。提出了快速獲取整體立銑刀頻響特性的等效建模方法。將其分成刀桿和刀齒兩部分，分別求解其頻響特性並耦合得到整體回響。對刀齒橫截面採用了等面積、等慣性矩和等平均慣性矩三種原則等效處理，對比後發現等平均慣性矩法誤差最小。在此基礎上提出以銑刀的刀齒占總長的比例、刀齒螺旋角和刀具長徑比等三參數為影響因素，對等平均慣性矩法得到的等效直徑進行修正。分析結果表明刀齒占總長的比例和刀齒螺旋角是影響等效直徑值的主要因素，通過回歸分析方法建立了實際刀具等效直徑的修正模型。採用Timoshenko梁理論和子結構方法快速獲取了刀柄的頻響特性。理論對比分析了採用一階有限差分法和二階有限差分法計算主軸-工具機基體頻響特性的差別，並用二階有限差分法構建了主軸-工具機基體的回響矩陣計算公式。採用子結構方法耦合了多種刀具-刀柄-主軸-工具機系統組合的回響，通過錘擊測試實驗驗證了耦合方法的正確性。簡要分析了刀具懸長量對整機刀尖點回響的影響規律。通過整機刀尖點頻響構建了切削穩定性極限圖，分析了切削穩定性極限圖的各種影響因素，提出評價整機刀尖點頻響計算精度的主要參數。由工具機坐標x方向和y方向的刀尖點頻響計算得到實際加工路徑進給方向和進給正交方向的頻響，從而實現了實際加工路徑的切削穩定性快速判定。構建了有切入點/切出點的刀尖振動等高線的切削穩定性極限圖，得到刀尖振動較小的穩定性切削區域。在此基礎上開展了切削過程的時域計算，得到切削力的頻譜和加工表面的振動情況，便於判斷穩定極限域附近的切削參數顫振情況。開展了多組切削參數的實驗測試，驗證了所構建的切削穩定性極限圖的正確性。