（机械制造及其自动化专业论文）高速铣削加工稳定性与切削参数优化研究.pdf

摘要 高速铣削加工稳定性与臼j 削参数优化研究 摘要 稳定切削是确保高效 高精度切削加工的前提条件 是优化工艺参数和提高加工效 率的基础 本文对铣削加工过程中的动力学建模 稳定性预测及加工表面质量等问题进 行研究 为实现无颤振高速铣削及加工参数的优化提供指导 考虑加工过程中瞬态切削厚度变化 建立动态铣削力模型 根据再生颤振解析模型 对加工过程稳定性进行预测 绘制了稳定性曲线 研究了铣削加工过程中信号的频率特 性 采用半离散法对小径向切深稳定性进行预测 通过仿真分析对铣削稳定性的影响因 素进行研究 以铝合金7 0 5 0 材料为研究对象进行高速铣削颤振试验 通过试验获得切削力系数 对比仿真和试验结果验证了铣削力模型及获得的铣削力系数的准确性 并通过模态试验 获得刀具系统的模态参数 通过分析切削过程铣削力及振动信号功率谱的频率成份变 化 进行颤振识别 将仿真预测和试验结果进行对比 对稳定性预测模型的准确性进行 验证 基于颤振识别方法 给出一种调整切削参数的颤振抑制寻优策略 利用时域仿真 分析方法对其可行性进行了验证 对钛合金t c 4 材料进行高速铣削试验 通过正交试验和单因素试验分析了切削参数 对表面粗糙度的影响规律 基于b p 神经网络建立了表面粗糙度预测模型 最后结合铣 削稳定性和表面粗糙度的研究结果 利用遗传优化算法实现了铣削加工参数优化 关键词 高速铣削 铣削稳定性 表面粗糙度 神经网络 切削参数优化 a b s t r a c t s t a b l ec u t t i n gi st h ep r e r e q u i s i t et oe n s u r ee f f i c i e n ta n d h i g h p r e c i s i o nm a c h i n i n g w h i c h l st h eb a s i sf o rt h e o p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r sa n di m p r o v e m e n to fp m c e s s i n g e f f i c l e n c y i nt h i sa r t i c l e t h es t u d yf o c u s e do nt h ed y n a m i c m o d e l i n g t h es t a b i l i t yp r e d i c t i o n a j l dt h es u r f a c ep r o c e s s i n gq u a l i t yi nm i l l i n g p r o c e s s a i m i n gt op r o v i d eag u i d a n c ef o rt h e a c h l e v e m e n to fc h a t t e r f r e e h i g h s p e e dm i l l i n ga n dt h e o p t i m i z a t i o no fp r o c e s s i n g p a r a m e t e r s c o n s l d e r i n gt h ec h a n g e si nt h et h i c k n e s so ft h ed y n a m i cc u t t i n gp r o c e s s ad 1 锄i c m i l l i n gf o r c em o d e lw a se s t a b l i s h e d b ye s t a b l i s h i n gt h er e g e n e r a t i v ec h a ra n a l y t i c a lm o d e l t h em i l l i n gp r o c e s ss t a b i l i t yw a sp r e d i c t e da n dt h es t a b i l i t yl o b e sd i a g r a m w e r ee s t a b l i s h e d y h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h es i g n a l i nt h em i l l i n gp r o c e s sw e r es t u d i e d a n dt h e s t a b i l i t y o fs m a l l r a d i a l d e p t hc u tw a sp r e d i c t i e d w i t ht h es e m i d i s c r e t i z a t i o nm e t h o d t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i s f a c t o r sw h i c h m a y a f f e c tm i l l i n gs t a b i l i t yw e r es t u d i e d i nt h i sw o r k h i g h s p e e dm i l l i n gc h a t t e rt e s t sw e r ec o n d u c t e do na l u m i n u m 7 0 5 0 t h e c u t t i n gf o r c ec o e f f i c i e n t sw e r eo b t a i n e db ye x p e r i m e n t s a n dt h em o d a lp 猢e t e r so b t a i n e d b yh a l t l l t l e rm o d a lt e s t s t h ee x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h em i l l i n g t b r c em o d e 工a n dt h ea c c u r a c yo ft h em i l l i n gf o r c ec o e f f i c i e n t s b ya n a l y z i n gc h a n g e so f t h e m i l l i n gf o r c ea n dt h ef r e q u e n c yc o m p o n e n t so ft h e s i g n a ls p e c t r u mi nc 眦i n gp r o c e s s a c h i e v e dr e c o g n i t i o no fc h a t t e r t h es i m u l a t i o n p r e d i c t e da n de x p e r i m e n t a li e s u t s 聃 r e c o m p a r e d a n dt h ea c c u r a c yo ft h es t a b i l i t yf o r e c a s t i n gm o d e lw a sv e r i f i e d b a s e do nc h a t t e r r e c o g n l t l o nt e c h n o l o g y a no p t i m i z a t i o n s t r a t e g yo fc h a t t e rs u p p r e s s i o nb ya a j u s t i n gt h e c u t t i n gp a r a m e t e r sw a sg i v e n a n dw i t ht i m ed o m a i ns i m u l a t i o na n a l y s i s i t sf e a s i b i l i t vw a s t e s t e da n dv e r i f i e d h 1 9 h s p e e dm i l l i n gt e s t sw e r ea l s oc a r r i e do u tw i t ht i t a n i u ma l l o yt c 4 t h el a wo ft h e 1 m p a c t t h a t c u t t i n gp a r a m e t e r sm a yd oo ns u r f a c e r o u g h n e s sw e r ea n a l y z e dt h r o u g h o n n o g o n a l e x p e n m e n t sa n ds i n g l ef a c t o rt e s t s b a s e do nb pn e u r a l n e t w o r k s u r f a c e r o u g n n e s sp r e d i c t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d a n df i n a l l yc o m b i n e dw i t ht h es t u d yf i n d i n g so n m l l l i n gs t a b i l i t ya n ds u r f a c er o u g h n e s s a c h i e v e do p t i m i z a t i o no ft h em i l l i n gp a r a m e t e r sb v g e n e t i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h m k e yw o r d s h i g hs p e e dm i l l i n g m i l l i n gs t a b i l i t y s u r f a c er o u g h n e s s n e u r a ln e t w o r k c u t t i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 1 1 日录 岛速铣削力 工稳定性与切削参数优化研究 目录 摘j 1 9 a b s t r a c t i i 目录 i i i 1 绪论 1 1 1选题背景和意义 1 1 2 铣削加工过程稳定性及颤振识别研究现状 1 1 2 1 铣削程稳定性预测研究现状 1 1 2 2 铣削颤振识别研究现状 3 1 3 铣削加工表面粗糙度研究现状 5 1 4 铣削加工参数优化研究现状 6 1 5 课题来源及主要研究内容 一6 1 5 1 课题来源 6 1 5 2 主要研究内容 6 2 铣削加工过程动力学建模和仿真 8 2 1 再生型颤振机理分析 8 2 2 动态切削力建模 一8 2 2 1瞬态切削厚度模型 9 2 2 2 动态铣削力模型 9 2 3 铣削加工稳定性区域预测 10 2 3 1 铣削加工再生型颤振解析模型 10 2 3 2 铣削加工稳定域求解 1 2 2 3 3 铣削加工稳定性曲线绘制 1 4 2 4 小径向切深铣削稳定性分析 15 2 4 1 半离散法求解铣削稳定性 1 5 2 4 2 铣削加工颤振信号频谱特性 18 2 4 3 小径向切深数值分析 19 2 5铣削稳定性影晌因素研究 2 3 2 5 1 铣削系统模态参数对稳定性的影响 2 3 2 5 2 铣削力系数对稳定性的影响 2 5 2 5 3 刀具齿数对稳定性的影响 2 6 2 6 本章小结 2 7 曰录 高速铣削加工稳定性 j 切削参数优化研究 3 铣削加工过程稳定性试验验证 2 8 3 1 铣削力系数识别试验 2 8 3 1 1平均铣削力系数模型 2 8 3 1 2 铣削力系数识别试验 2 9 3 1 3 铣削力仿真与验证 2 9 3 2铣削系统模态参数识别 3l 3 2 1 试验模态分析原理 3 1 3 2 2 铣削系统模态试验 3 3 3 2 3模态参数识别结果 3 3 3 3铣削稳定性验证试验 3 4 3 3 1 试验条件及仪器设备 3 4 3 3 2 试验方案设计 3 5 3 3 3 试验结果分析 3 6 3 4基于颤振识别的动态稳定性寻优 4 1 3 4 1 调整主轴转速抑制颤振 4 1 3 4 2考虑调整切削参数的颤振抑制寻优策略 4 2 3 4 3时域仿真分析及验证 4 3 3 5本章小结 4 6 4高速铣削钛合金表面粗糙度及切削参数优化研究 4 8 4 1 高速铣削钛合金表面粗糙度试验 4 8 4 1 1试验条件及仪器设备 4 8 4 1 2 正交试验设计及结果分析 4 9 4 1 3 单因素试验设计及结果分析 5 1 4 2基于神经网络的表面粗糙度预测模型 5 4 4 2 1b p 神经网络粗糙度预测模型设计 5 4 4 2 2b p 神经网络粗糙度预测模型预测结果分析 5 5 4 3 切削参数优化研究 5 6 4 3 1遗传算法简介 5 6 4 3 2 优化模型建立 5 6 4 3 3 约束条件处理 5 7 4 4 切削参数优化实例分析 5 8 4 4 1 忽略颤振稳定域约束的优化结果 5 8 4 4 2 考虑颤振稳定域约束的优化结果 5 9 4 5本章小结 6 0 i v 日录岛速铣削加丁稳定性与切削参数优化研究 5 总结与展望 6 2 5 1 总结 6 2 5 2 展望 6 3 至筻谢 6 4 参考文献 6 5 附j 录 7 1 v 倾二卜论文高速铣削加工稳定性与切削参数优化研究 1 绪论 1 1 选题背景和意义 高速切削具有高效 高精度的显著优势 受到国内外研究人员的重视 随着高速切 削加工技术的日益成熟 高速切削技术作为一种先进的共性制造技术 已成为切削加工 的重要发展方向 高速切削技术和高速数控机床 加工中心在航空航天 汽车 模具等 行业得到越来越广泛的应用 高速切削加工是以稳定切削为前提条件的 对高速切削稳 定性及加工质量的研究是提高切削加工效率和经济效益 推动高速切削等先进加工技术 广泛应用和快速发展的一项重要基础课题 在机床切削加工过程中 刀具与工件之间出现剧烈的振动 会严重影响机床及刀具 的使用寿命 降低工件表面质量及产生较大的量振动噪声 发挥先进制造技术的优势 很大程度上取决于对切削加工过程中异常振动现象 如切削颤振 进行预报与控制的能 力 目前各种加工性能预测与评价分析方法都是基于稳定加工状态建立的 因此 进行 铣削稳定性及切削参数优化的基础理论研究 是更好的实现高档数控设备的高性能 高 精度切削加工 并满足国家对航天航空典型零件加工技术的重大需求急需解决的关键问 题 本课题以铣i 争j d h 工为研究对象 主要对高速铣削加工过程动力学建模 切削稳定性 分析及加工质量等问题进行研究 从动力学建模角度对颤振机理进行研究 实现铣削加 工稳定性预测 分析工艺参数对切削稳定性的影响 采集切削加工过程中的信号进行颤 振识别 实现稳定切削区域的动态寻优 对高速铣削表面质量进行分析 最终结合动力 学仿真结果和表面粗糙度研究实现切削参数的优化 论文研究内容有助于指导实际加工 中的工艺参数规划 可为切削参数优化及数据库的开发提供技术支持 符合当前国内外 机床发展的方向 具有重要的工程应用价值 1 2 铣削加工过程稳定性及颤振识别研究现状 高速加工中切削振动是影响工件加工表面质量及刀具寿命的重要因素之一 稳定切 削是发挥高速切削优势的前提条件 是提高加 效率和保证加工质量的基础 下文将针 对铣削加工过程稳定性预测及颤振识别两个方面进行综述 1 2 1 铣削程稳定性预测研究现状 铣削稳定性预测研究的内容是对建立的动力学模型通过解析方法得到主轴转速与 轴向切深组合 进而对稳定切削区与不稳定切削区进 7 7 翅j 分 实现从稳定性曲线图中选 1 绪论 硕士论文 择适当的切削参数 达到避免颤振 提高材料去除率的目的 再生型颤振是切削加工过 程中的主导颤振机制 针对再生型颤振的研究较多 发展也比较成熟 目前对铣削加工 过程中再生颤振稳定性预测方法主要有以下四种 1 频域求解法 t o b i a s 1 和t l u s y l 2 3 1 首次对通过正交车削过程中的再生效应颤振现象进行了研究 提 出了综合考虑切削系统动态特性的无颤振的稳定临界切深表达式 t o b i a s i l l 考虑了切削 加工过程中由于刀具切削运动所产生的刚度和阻尼 分析了工件表面切削波纹内外环之 间的相位差 提出了一种绘制包含无颤振切深及主轴转速的稳定性区域图的方法 奠定 了后续学者对再生型颤振研究基础 a l t i n t a s 和b u d a k 4 6 在该领域进行了更为深入的研 究 提出的铣削稳定性叶瓣图的快速预测方法 该方法仅需要获取刀具与工件材料接触 区域的频响函数 f r f 切削力系数 径向切深及铣刀齿数 通过较少量的计算得到较 精确的稳定性曲线 由于该方法对方向系数做傅里叶变换后仅取零次谐波分量 因此该 方法被称为零阶求解方法 z e r oo d e rs o l u t i o n z o a 随后 a l t i n t a s 团队将频域法推广 应用到插铣削 7 1 球头铣刀铣 8 1 变螺旋角刀具铣削 9 1 不等齿距铣刀铣削 1 0 等不同的 工况中进行铣削稳定性求解 2 时域求解法 虽然采用频域求解方法的精度较高 然而该类方法所建立的铣削加工动力学模型忽 略了切削过程中的一些非线性因素 如刀齿跳出 刀具变形等 频域分析模型的缺陷 促使了对稳定性极限进行预测的时域法的出现 s m i t h 和t l u s t y l i j 建立了p t p p e a k t o p e a k 时域仿真模型 发现当切削状态达到稳定边界时 切削力峰值会急剧 增长 利用切削力峰一峰值的变化较为直观的得到了稳定性曲线图 t l u s t y 等人 l2 j 应用 时域仿真方法研究了大径向切深率时 等齿间角与不等齿间角铣刀铣削稳定性 a l t i n t a s 和c a m p o m a n e s 1 3 提出了一种改进的时域模型 对小径向切深条件下的铣削进行了仿真 研究 该模型将预测的动态切削厚度与静态切削厚度比值r l h a m a x h 置肼甜 作为无量纲颤 振判别系数 试验表明当r l 1 2 5 时发生颤振 并对铣削力 三维表面形貌模拟及预测 了不同工况下的铣削颤振稳定性 l i 等人 1 4 1 使用仿真得到的最大动态切削力与最大静态 切削力之比r l m a x i f a i m a x i f s i 作为颤振判定标准 并通过试验得出当叩 1 3 时铣削 系统发生颤振 时域仿真方法能够考虑刀具螺旋角 刀齿偏心 过程阻尼 刃口力和刀 齿跳出切削等非线性因素 并且可应用到镶齿铣刀和变齿距铣刀等具有复杂几何形状的 刀具中 3 离散求解法 离散法预测铣削稳定性主要包括半离散法 时间有限元法和全离散法三种 其中对 高速铣削加丁稳定性与切削参数优化研究 半离散法和全离散法的研究较多 半离散法 i n s p e r g e r j 用包含周期系数矩阵的延时微分动力学方程组来描述动 态铣i 争j d n 工过程 在研究周期性变化系数的时滞微分方程稳定性分析中首次提出了半离 散法 之后i n s p e r g e r 1 6 1 7 1 将该算法进行进一步改进 成功的将其分别应用到单自由度和 两自由度铣削加工系统的颤振稳定性预测中 该方法基于f l o q u e t 理论 通过判断一个 刀齿切削周期f 上的状态传递矩阵 的特征值 的大小来进行铣削判稳 l o n g 1 9 j 将半离 散法进一步改进推广 考虑切削过程的多时滞项 构建了四自由度铣削加工模型 运用 半离散法预测了其稳定性极限 李中倒2 0 j 推导出基于m a g n u s g a u s s i a n 截断的零阶半离 散稳定分析法 提高了半离散法的计算效率 并通过实验验证了不同工况下的铣削稳定 性曲线 时间有限元法 b a y 2 l 首次将时间有限元法 t f e a 运用到单自由度铣削稳 定性研究中 随后又将该方法扩展应用于两自由度铣削工况 d a v i e s 等l l8 j 考虑刀具一工 件之间的非线性接触振动关系 利用t f e a 法对小径向切深工况的稳定性进行了研究 全离散法 d i n g 等 2 2 提出了一种基于直接积分方法的颤振稳定域求解方法 并 将其称为全离散法 全离散法与半离散法类似 区别在于半离散法仅离散了方程的周期 性变化系数和时间延迟项 而全离散方法则要离散所有时间相关项 随后 在文献 2 2 1 的基础上 d i n g 等 2 3 提出了一种基于直接积分的二阶全离散法 进一步完善了铣削颤 振稳定域预测的精度和效率 4 试验法 除了上述三种较为广泛应用的方法之外 还有学者通过切削试验的方法得到铣削稳 定性曲线图 g u i l l e mq u i n t a n a l 2 4 2 5 1 通过变轴向切深 在给定的主轴转速及每齿进给量的 试验条件下 利用麦克风采集加工过程中的噪声信号进行快速傅立叶变换 f f t 进行颤 振识别 设定颤振发生的阀值 颤振发生时进行报警 控制机床停止切削 记录当前轴 向切深值 之后改变主轴转速重复上述过程 最后将工件上的颤振点记下绘制稳定性曲 线 通过切削试验的方法得到铣削稳定性曲线图在实际加工中具有一定的实用价值 但 由于存在实验误差 且试验加工条件 工况因素是多变的 因此与时域法 频域法及半 离散方法相比 得到的稳定性极限一般会存在较大误差 因此试验法绘制铣削稳定性曲 线的通用性较差 1 2 2 铣削颤振识别研究现状 对铣削稳定性研究的最终目的是为了减小或消除加工时的颤振 建立铣削稳定性曲 线图可以对加工中切削参数的合理选择进行初步指导 但是实际加工中会存在工况的多 变性 切削条件 工艺系统参数偶然的变化也会导致切削加工过程失稳 因此 有必要 对加工过程特征信号进行分析 提前对切削颤振进行预报 进而采取措施对其进行控制 i 绪论 硕士论文 有关加工中颤振信号分析处理技术 从以下几类进行综述 1 时域分析方法 时域信号分析方法是通过对信号的时域特征值 均值 均方值 均方差 自相关及 互相关函数等 进行分析 对颤振进行初步的判断 s c h m i t z i 2 6 1 对切削过程的声音信号 进行一周期采样统计 将其样本统计方差仃2 作为颤振识别依据 颤振的发生时 盯2 增 大 i s m a i l 和k u b i c a l 2 7 提出定义一个比值r 进行颤振识别 尺为监测到的发生颤振时力 信号中的低频成份与高频成份之间的均方根比值 并且通过大量的试验对颤振阀值进行 确定 s o l i m a n 等人 2 8 将铣床的主轴驱动器电流信号的统计特征值月值作为监测切削过 程颤振与否的准则 d u 等人 2 9 将监测信号中的力信号与噪声信号分离出来 将它们之 间信号的方差比作为颤振监测指标 当方差比低于某一设定的阀值则表示颤振发生 2 频域分析方法 时域信号分析不能准确的找出导致颤振发生的原因 频域分析主要是通过快速傅立 叶变换 f f t 得到信号的频谱或功率谱 p s d 根据功率谱图中的特征频率成份处谱 值的大小等信息 结合铣削系统的动态特性等参数 进而判断被测铣削系统的所处状态 d e l i o 等人1 3 0 1 对加工过程中的力信号 振动加速度信号和声音信号进行快速傅立叶变换 并对比了测力仪 加速度传感器和麦克风在实时监测中的应用优缺点 结果表明麦克风 采集的声音信号更适用于加工过程中的颤振监测 f a a s s e n 3 l 提出了一种颤振实时监测与 控制的方法 并对加工过程中的力信号 振动加速度信号与声音信号进行功率谱分析 认为实际加工中综合考虑采用振动加速度较为适宜 3 时一频域分析方法 小波分析通过时一频域联合方法对信号特征进行描述 得到信号的时频谱 在切削 过程实时监测及颤振预报中有着很好的应用前景 c s s u h 3 2 1 将采集的铣削力信号进行 离散小波变换 d w t 从时频域上分析了铣削过程从稳态向颤振发生时铣削力的状态 变化 并将其运用到实际加工中颤振实时监测与制造工艺的优化 l e iw a n g 3 3 提出了一 种基于离散小波模极大值 w t m m 统计分析的无量纲颤振指标 该颤振指标不依赖 与加工参数及铣削系统的工艺参数 不易受切削条件的变化影响 因此适用于不同的切 削条件 而不必要耗时对颤振阀值进行重新设定 杨涛 3 4 j 对加工中的振动信号进行小波 包变换 基于主成份分析法对特征小波包进行重构 提取小波包变换特征值建立了颤振 的诊断模型 c h o i 和s h i n 3 5 将小波分析的最大似然估计 m l 估计v f 过程谱参数7 的方 法应用到切削颤振的识别 分析了颤振发生时刀具振动加速度的分形特征的变化 y a o 等人 3 6 提出一种基于小波变换和支持向量机模型的在线颤振监测与识别的方法 利用小 波变换的标准偏差和小波包能量值 构造一个二维特征矢量进行颤振识别 预测准确率 4 硕l 论文 苛速铣削加工稳定性1 j 切削参数优化研究 高达9 5 并且该方法能适应不同的工况 4 神经网络识别方法 随着人工智能技术的快速发展 一些研究者成功的将神经网络技术运用到颤振预报 中 取得了良好的成果 t a r n g 等人1 3 8 基于自适应的谐振峰神经网络 a r t 2 一a 建立 了一种铣削颤振实时监测系统 以主轴每转中铣削合力的差距作为神经网络的输入量 通过模式识别技术对颤振和稳态切削时切削力信号进行分类 解决了颤振阀值能以确定 的困难 j u n i c h i 3 9 1 建立了基于小波变换和模糊神经网络模型的高速端铣削颤振预测专家 系统 通过输入切削条件及加工中的声音信号 即可到达实时颤振预测 t a n s e l 3 7 1 利用 神经网络对切削振动加速度信号的波形和振动频率进行综合训练 成功有效的进行了颤 振的预测 并对其振动特性进行预测 1 3 铣削加工表面粗糙度研究现状 零件的表面粗糙度是制造加工中必要的技术要求及评价表面质量的重要指标 影响 表面粗糙度的因素可归结如表1 1 所示 表1 1 影响表面粗糙度的主要因素 4 4 l 影响因素 切削参数主轴转速 切削速度 轴向切深 每齿进给量 进给速度 径向切深 切削力 切削温度 机床振动 工艺系统刚度 动态因素 刀具磨损 刀具运动轨迹 切削方式 润滑方式 工件工件材料 力学性能 工件结构尺寸 刀具刀具材料 刀具安装误差 几何参数 刀杆长度 悬长量 综合考虑各方面的因素影响对表面粗糙度的分析非常复杂 在实际研究中可将这些 影响因素分离出来 设定一些影响精度较小的假设条件 选取主要的影响变量 以切削 参数变量影响研究居多 建立有针对性的理论与实际加工相结合的预测模型 在实际 应用过程中建立表面粗糙度的数学预测模型能够为技术人员在选择切削参数 切削条件 以及刀具时提供参考 f u h 47 j 通过田口试验研究了切削参数及刀具几何形状对粗糙度的 影响 利用响应曲面法建立铣削铝合金表面粗糙度模型 刘晓志 4 5 j 利用正交试验建立了 铣削钛合金t c l 8 材料时表面粗糙度的预测模型 鄢国洪1 4 6 j 研究了钛合金t c 4 侧铣削试 验中平均切削厚度 材料去除率及铣削振动等因素对表面粗糙度的变化规律 随着智能控制技术及现代优化算法的发展 一些学者将神经网络运用到表面粗糙度 建模及预测中 并取得了一定的成果 曾谊晖 48 j 和田美丽 4 9 1 均以多组实际加工试验数据 作为样本 建立了基于径向基神经网络 r b f 的表面粗糙度预测模型 c h e n 5 1 j 基于自 适应神经模糊推理系统 a n f i s 建立了车削表面粗糙度预测模型 t s a i 5 0 1 以主轴转速 l 绪论倾上论义 进给速度 切深及加工中的振动信号为输入量 建立人工神经网络预测模型 并将其与 回归分析方法建立的模型对比 发现神经网络预测精度更高 1 4 铣削加工参数优化研究现状 切削参数的合理选择直接影响加工系统的生产率以及产品的加工质量 通过建立加 工参数优化模型 利用优化算法得到切削参数的最优解 是指导加工参数选择的一种有 效方法 刘晓志1 5 8 j 基于改进遗传算法对钛合金t c l 8 铣削参数进行优化 姜彬 5 4 1 建立了 基于主要目标法和线性加权和法的工艺参数多目标优化的数学模型 武美萍 55 j 基于变搜 索域遗传算法进行了切削参数优化 并将结果运用到实际加工中 取得了良好的效益 刘海江 5 6 建立了最大生产率和最低生产成本的多目标优化模型 应用粒子群优化算法对 切削参数进行寻优 刘洋 5 7 建立了船用柴油机关键件铣削加工过程中的单目标及多目标 参数优化的数学模型 运用惩罚函数法在机床性能约束限制的可行域内进行求解 目前对切削参数优化建模方面的研究主要针对单目标及较少约束的情况建立的 对 于基于加工过程动力学模型的工艺参数优化的工作则相对较少 b u d a k 等人 6 1 6 2 提出了 基于单频率解析法的无颤振最大化材料去除率的铣削工艺参数优化方法 m e r d o l 和 a 1 t i n t a s 6 3 提出了考虑如瞬时切厚 切削力 主轴功率 铣削稳定性等约束的最大材料去 除率优化模型 北京航空航天大学刘强团队 5 2 5 3 建立了面向数控铣削加工的动力学仿真 优化系统 实现了数控加工工艺参数的优化选择 k u r d i 5 9 6 0 1 等人提出了基于时域有限元 分析法和有限差分法的铣削稳定边界相对于加工参数的灵敏度分析方法 并研究了基于 时域有限元分析法的材料去除率和加工表面位置误差 s l e 同步优化问题 1 5 课题来源及主要研究内容 1 5 1 课题来源 本文的研究工作来源于国家科技重大专项 高档数控机床与基础制造装备 一 航 空航天典型零件高速多轴联动加工技术 编号 2 0 1 0 z x 0 4 0 1 4 0 51 1 5 2 主要研究内容 本学位论文对高速铣削加工过程动力学建模及仿真 表面粗糙度及切削参数优化等 问题展开相关研究工作 全文主要安排如下 第一章 绪论 介绍课题背景及意义 对铣削稳定性与切削参数优化等问题相关的 研究现状进行概述 并对文章结构内容进行安排 第二章 铣削加工过程动力学建模和仿真 建立了铣加工动态铣削力模型 通过解 析算法对建立的再生型颤振模型求解 并对铣削稳定性影响因素进行研究 为高速铣削 坝i 论文 寄速铣削加工稳定性与切削参数优化研究 稳定性研究提供理论支撑 第三章 铣削加工过程稳定性试验验证 通过设计合理的切削试验对铣削稳定性预 测模型进行验证 对加工过程中颤振信号进行分析 提出一种调整切削参数的颤振抑制 寻优策略 为切削参数的合理选择提供技术支持 第四章 高速铣削钛合金表面粗糙度及切削参数优化研究 对高速铣削钛合金表面 粗糙度进行了研究 建立了表面粗糙度神经预测模型 应用铣削稳定性和表面粗糙度的 研究结果 实现了切削参数优化 第五章 总结与展望 总结了本论文的主要工作及成果 对铣削稳定性进一步研究 方向进行展望 2 铣削加工过程动力学建模和仿真 硕士论文 2 铣削加工过程动力学建模和仿真 本章首先分析颤振形成机理 建立了动态铣削力模型 对建立的铣削加工再生型颤 振解析模型进行稳定性极限求解 利用m a t l a b 得到铣削稳定性曲线 通过半离散法 对小径向切深稳定性进行了研究 最后对加工过程稳定性影响因素进行分析 为合理选 择加工参数及机床结构设计提供理论指导 2 1 再生型颤振机理分析 机床切削加工中颤振问题的理论研究始于t a y l o r 在其文献 6 4 中首次对颤振现象 的描述 按其物理形成原因可分为 摩擦型颤振 振型耦合型颤振和再生型颤振三类 其中 摩擦型颤振是在切削速度方向上由刀具和工件之间的相互摩擦作用所引起的颤 振 振型耦合型颤振是由振动系统固有振型在不同方向刚度相近而产生耦合引起的颤 振 再生型颤振是由于前后两次切削振纹间的相位差导致切削厚度变化而引起的自激振 动 再生型颤振是切削加工过程中的主导颤振机制 详细研究见第一章综述 本小节仅 对其产生机理进行简单介绍 铣削加工过程的再生型颤振闭环控制系统模型可简化为如图2 1 所示 系统以切削 深度口口 t 为输入 以动态位移 2 0 为输出 在动态铣削力以t 和切削系统传递函数g c o 的作用下 由于切削过程的铣削力作用使得刀具与工件发生相对振动g t 并在工件表 面造成加工振纹 前后两次切削振纹间的相位差导致切削厚度变化使得g t 变化为q t d 并产生振动位移反馈p 和 当系统的反馈能量大于一个切削周期由系统阻尼耗散的能量 时 便导致刀具一工件系统的自激振动 即颤振 系统输入 切削过程动力学特性 切削系统传递函数系统输出 n 淤 a t t q j l c j 动态铣削力f c t g 初次反馈 g 冉生反馈 f h e 动态切削力建模 图2 再生型颤振闭环控制模型 铣削力进行是切削稳定性研究的基础物理量之一 建立合适的铣削力模型预测加工 过程的铣削力 对指导切削参数的合理选择 减小刀具磨损 进而提高生产效率和零件 青速铣削i n j 工稳定 阵0 切削参数优化研 e 加工表面质量具有重要意义 再生型切削力解析模型是铣削动力学研究中应用最为广泛 的铣削力模型 设螺旋立铣刀的刀具半径为尺 螺旋角为 刀具齿数为z 主轴转速为 q 轴向切深与径向切深为 和a 建立如图2 2 所示的模型 图2 2 螺旋立铣7 切削刃儿1 口j 与党力模型 2 2 1 瞬态切削厚度模型 切削厚度的大小直接影响着切削过程的铣削力 铣削过程中的瞬态切削厚度由两部 分构成 一部分是由切削过程的给迸运动引起的静态切削厚度 z 允 z 丘 s i n 办 2 1 另一部分是切削过程中 当前刀齿与前一刀齿的振动引起的动态切削厚度h e a t z 变化 见图2 2 z k x s i n o j t z a y c o s o j t z 2 2 因此 考虑切削过程再生效应引起的总瞬态切削厚度可以表示为 h j t z 绣 z 吃 j f z s i n e a x s i n b f z c o s 力 z 2 3 式中 缸 x 0 x t r a y 0 y t 一y t 一丁 r 2 e r 为刀齿切削周期 0 9 7 n q 为切削频率 2 2 2 动态铣削力模型 沿着轴向方向将其离散为m 个微元切削刃 铣削过程中由于刀具的螺旋角 使得 刀具切削刃上的点比刀具端点滞后 所以第 个刀齿上切削刃上一点在刀具坐标系下的 滞后角 可以表示为 2 铣削加t 过程动力学建模和仿真 硕 i j 论文 式中 o q t 为刀具转动角度 啡为齿问角 当刀具齿数是均匀分布的 则有矽p 2 x n 考虑切削过程中的剪切力与犁切力作用 4 则第 个刀齿上的动态切削力微元可以 荔豢至 g c 办 毒 如 麓 吃 r z 出 c 2 5 g 力 三矽 o s 丸 或o j 矽 e 丸没喜芸詈裂削 2 6 式中 丸 允分别表示切入角与切出角 由刀具的径向切深决定 且有 协 卅m c o 文1 吸肛 铣 公幺c o s a e 逆铣 2 7 i 既2 万 2 甜 c l 几 黝憎矿卧 畛日p 亿8 曩虽 兰 善暑郭 莠萎 兰笋 善暑郭 善 荟誊 c 抛 数 刀具半径r 刀具螺旋角口 刀具齿数 切削参数 轴向切深a p 径向切深 每齿迸给量正 以及对应的铣削力系数便可以通过式 2 9 进行计算仿真得到螺旋立铣刀 1 0 r 映i 论义 一 皇竺竺型塑二堡兰兰 竺型釜鍪堡 皇三一 为主轴转速 工为每齿进 图2 3 铣削动力学模型 该两自由度铣削系统的振动微分方程可以表示为 限删 c m t x e f 2 1 0 i m y y t e 夕 r 尼 y o f v t 式中 聊 m y 为等效质量 反 如 为铣削系统的等效刚度 孙 为铣削系统的等效阻 尼 x 和y f 戈 f 和夕 戈 f 和歹 分别为刀具振动的位移 速度及加速度响应矢 量 疋 b 为作用在刀具上的动态铣削力 对图2 3 建立的二维铣削动力学模型 将瓜y 方向的动态铣削力计算式 2 9 整理 为矩阵形式 如下 厂c 瓮 圭 臼 k c 彳c 吉 臼 k i 兰篓 2 三二z 茎善 c 2 式中 4 f 口 f 为随时间变化的动念铣削力方向矩阵 可表示为 口 一g j s i n 2 5 b k 卜c o s 2 j 1 v 一g 1 c o s2 6 j k s i n2 b 1 n 口 f g 1 一c o s 2 b 一k s i n 2 b i f g s i n 2 b 一k 1 c o s 2 矽 1 2 1 2 式中 g g o k 为径向与切向铣削力系数比 k k k 一 4 f 是周期函数 眭l 振动力学及数学理论呵知 周期函数可以进行f o u r i e r 级数分 解 对 4 进行f o u r i e r 级数变换得到 1 l 2 铣削加工过程动力学建模和仿真 硕士论文 爿 f m 州 2 1 3 r 爿 土 爿o e r 嘶 d t 式 2 1 3 中的谐波阶数 决定了f o u r i e r 级数的重构精度 a l t i n t a s 和b u d a k 4 1 在其论 文中证明了对周期函数口 d 进行f o u r i e r 级数展开后 其高次谐波对稳定性预测精度影 响很小 因此 对口 d 进行f o u r i e r 级数展开整理后保留首项 可得 爿 o 丢了彳 沈 r 2 1 4 么 o 只有在刀具处于切入角丸与切出角丸才有效 此时窗函数g 办 1 所以上 式可以表示为 c 彳c 去 c 么c d 矽 墓三i c 2 5 式中平均方向系数可以计算为 圭 c o s 2 痧一2 k r 矽 酗i n 2 纠筹 2 扣叫叫 i k r c o s 2 仔 2 1 6 争 n 2 矽 2 矽 群c s 2 筹 口 j 1 卜c s 2 矽一2 k 一k s i n 2 矽 惫 因此 由式 2 1 1 2 1 5 整理的得到动态铣削力可以表示为 m 去 k 州 o 卸 2 1 7 2 3 2 铣削加工稳定域求解 设刀具一工件接触区域之间的传递函数矩阵为g 泐 的直接传递函数 瓯 泐 g i c o 为交叉传递函数 g c z 国 l 乏 三 瓷 三 l 前后周期切削刀齿之间的的振动位移矢量分别为 f 彳 y 7 1 1 4 一 卜 t f 少 卜f 7 g x i c o 吒 泐 为铣削系统 2 1 8 2 1 9 颂l j 论文 高速铣削加 t 稳定性与切削参数优化研究 在颤振频率q 处振动函数的频域表达式为 训铂 圳邝 矽7 2 2 0 4 一 o 缈o e a f f q 可以得到铣削过程中的再生动态位移为 a i c o 刊 吐 一4 一 i c o 31 一g 吐7 e a 4 dg 吱 厂 f 2 2 1 式中 q 丁是刀具振动在后续的刀齿周期f 之间的相位滞后 将再生动态位移a i c o 代 入动态铣削力计算式 2 1 7 可得 p 吲 i 1 口p k 1 p 1 7 彳 o a i g 厂 p 叫 2 2 2 令上式的行列式为零 可得到其特征方程 拟t i l 一万l k 1 一e 1 町 t a 0 l a o 咄 o 2 2 3 上式为闭环动态铣削系统的特征方程 g o i c o 为有向传递函数矩阵 可表示为 g o c 咄 乏萋 篙 老毒 篡 乏瓷髫荔 乏毒苫篡 l c 2 纠 式 2 2 3 的特征解为 五一鲁即k 1 百峨7 2 2 5 最终得到特征方程为 d e t 1 1 2 g o 娩 o 2 2 6 对于给定的颤振频率哎 通过试验获得工件材料相应的切削力系数 x c k 加工时的切入切出角度 丸 屯 及铣削加工系统的传递函数g 泐 便可求得式 2 2 6 的特征值 为了方便计算 实际求解中可忽略交叉传递函数 即g v g o 将特征方 程简化为一个二次函数 口 旯2 口1 兄 1 0 g o f 哝 g f 噱 口 a 一口叫口f 2 2 7 a l 吒 i c o a g 一q 可求得上式的特征值为 肛去慨 厅i 2 2 8 考虑到实际测试中 传递函数为复数形式 因此特征值包含实部与虚部 即 2 铣削加工过程动力学建模和仿真 硕 l 论义 五2 如 喝 e 1 6 0 c z c o s c or 一i s i n c o c r 将其代入到特征值式 2 2 5 可得到颤振频率处的 临界轴向切深 铲一惫 坐甓卷型 f 4 1 c s r cr 4s i n c o j 1 c o s r o a r 实际加工中临界轴向切深为口舢 为实数 因此上式中的虚部必定为零 有 乃 1 一c o s q o 一太s i n c o c r o 计算可得 一五一s i n c o c r 瓜 厶 1 c o s c o r 将式 2 3 1 代入 2 2 9 2 2 9 的实部 可得到最终临界轴向切深为 a p l i m 一麓 膏 同时得到特征值的相位角 y a r c t a n v 刀具前后连续两齿切削过程相位差s g 2 万一2 沙 2 万一2 t a n q 冬 1 k 是切削圆弧在工件表面留下的振动波纹整数 则有 o c t 2 s 2 k z 可求得临界轴向切深相应的主轴转速为 q 6 0 r o 6 0 c o c n s 2 k z n 2 k 1 z 一2 a r c t a n a j 4 f 2 3 0 2 3 1 r 2 3 2 2 3 3 f 2 3 4 f 2 3 5 f 2 3 6 综上所述 首先通过铣削实验与模态实验分别得到铣削力系数及切削系统的传递函 数 然后根据式 2 2 8 得到传递函数矩阵特征值的实部与虚部 最后将其代入 2 3 2 d 式 2 3 6 便可得出相应的临界切深与对应的主轴转速 2 3 3 铣削加工稳定性曲线绘制 由前文公式推导可以得出铣削过程稳定性曲线 现给出稳定性曲线的绘制具体流 程 1 铣削系统动力学参数参数m g o k f 及铣削力系数k 和k 坝f j 论义 商速铣削加一m 急定性 j 切削参数9 c 1 0 1 究 2 给定刀具齿数j v 和螺旋角 3 并计算切入角矽 及切出角九 3 在主模态附近选择颤振频率 并且解特征方程 2 2 8 4 根据式 2 3 2 计算出临界轴向切削深度 枷 再由式 2 3 6 计算 册相对应的 主轴转速q 5 瓣图曲线 6 以主轴转速q 为横坐标 极限轴向切深a