摘要 高速銑削加工穩定性與臼j 削參數優化研究 摘要 穩定切削是確保高效 高精度切削加工的前提條件 是優化工藝參數和提高加工效 率的基礎 本文對銑削加工過程中的動力學建模 穩定性預測及加工表面質量等問題進 行研究 為實現無顫振高速銑削及加工參數的優化提供指導 考慮加工過程中瞬態切削厚度變化 建立動態銑削力模型 根據再生顫振解析模型 對加工過程穩定性進行預測 繪制了穩定性曲線 研究了銑削加工過程中信號的頻率特 性 采用半離散法對小徑向切深穩定性進行預測 通過仿真分析對銑削穩定性的影響因 素進行研究 以鋁合金7 0 5 0 材料為研究對象進行高速銑削顫振試驗 通過試驗獲得切削力系數 對比仿真和試驗結果驗證了銑削力模型及獲得的銑削力系數的準確性 并通過模態試驗 獲得刀具系統的模態參數 通過分析切削過程銑削力及振動信號功率譜的頻率成份變 化 進行顫振識別 將仿真預測和試驗結果進行對比 對穩定性預測模型的準確性進行 驗證 基于顫振識別方法 給出一種調整切削參數的顫振抑制尋優策略 利用時域仿真 分析方法對其可行性進行了驗證 對鈦合金t c 4 材料進行高速銑削試驗 通過正交試驗和單因素試驗分析了切削參數 對表面粗糙度的影響規律 基于b p 神經網絡建立了表面粗糙度預測模型 最后結合銑 削穩定性和表面粗糙度的研究結果 利用遺傳優化算法實現了銑削加工參數優化 關鍵詞 高速銑削 銑削穩定性 表面粗糙度 神經網絡 切削參數優化 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 鋤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 眥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 日錄 島速銑削力 工穩定性與切削參數優化研究 目錄 摘j 1 9 a b s t r a c t i i 目錄 i i i 1 緒論 1 1 1選題背景和意義 1 1 2 銑削加工過程穩定性及顫振識別研究現狀 1 1 2 1 銑削程穩定性預測研究現狀 1 1 2 2 銑削顫振識別研究現狀 3 1 3 銑削加工表面粗糙度研究現狀 5 1 4 銑削加工參數優化研究現狀 6 1 5 課題來源及主要研究內容 一6 1 5 1 課題來源 6 1 5 2 主要研究內容 6 2 銑削加工過程動力學建模和仿真 8 2 1 再生型顫振機理分析 8 2 2 動態切削力建模 一8 2 2 1瞬態切削厚度模型 9 2 2 2 動態銑削力模型 9 2 3 銑削加工穩定性區域預測 10 2 3 1 銑削加工再生型顫振解析模型 10 2 3 2 銑削加工穩定域求解 1 2 2 3 3 銑削加工穩定性曲線繪制 1 4 2 4 小徑向切深銑削穩定性分析 15 2 4 1 半離散法求解銑削穩定性 1 5 2 4 2 銑削加工顫振信號頻譜特性 18 2 4 3 小徑向切深數值分析 19 2 5銑削穩定性影晌因素研究 2 3 2 5 1 銑削系統模態參數對穩定性的影響 2 3 2 5 2 銑削力系數對穩定性的影響 2 5 2 5 3 刀具齒數對穩定性的影響 2 6 2 6 本章小結 2 7 曰錄 高速銑削加工穩定性 j 切削參數優化研究 3 銑削加工過程穩定性試驗驗證 2 8 3 1 銑削力系數識別試驗 2 8 3 1 1平均銑削力系數模型 2 8 3 1 2 銑削力系數識別試驗 2 9 3 1 3 銑削力仿真與驗證 2 9 3 2銑削系統模態參數識別 3l 3 2 1 試驗模態分析原理 3 1 3 2 2 銑削系統模態試驗 3 3 3 2 3模態參數識別結果 3 3 3 3銑削穩定性驗證試驗 3 4 3 3 1 試驗條件及儀器設備 3 4 3 3 2 試驗方案設計 3 5 3 3 3 試驗結果分析 3 6 3 4基于顫振識別的動態穩定性尋優 4 1 3 4 1 調整主軸轉速抑制顫振 4 1 3 4 2考慮調整切削參數的顫振抑制尋優策略 4 2 3 4 3時域仿真分析及驗證 4 3 3 5本章小結 4 6 4高速銑削鈦合金表面粗糙度及切削參數優化研究 4 8 4 1 高速銑削鈦合金表面粗糙度試驗 4 8 4 1 1試驗條件及儀器設備 4 8 4 1 2 正交試驗設計及結果分析 4 9 4 1 3 單因素試驗設計及結果分析 5 1 4 2基于神經網絡的表面粗糙度預測模型 5 4 4 2 1b p 神經網絡粗糙度預測模型設計 5 4 4 2 2b p 神經網絡粗糙度預測模型預測結果分析 5 5 4 3 切削參數優化研究 5 6 4 3 1遺傳算法簡介 5 6 4 3 2 優化模型建立 5 6 4 3 3 約束條件處理 5 7 4 4 切削參數優化實例分析 5 8 4 4 1 忽略顫振穩定域約束的優化結果 5 8 4 4 2 考慮顫振穩定域約束的優化結果 5 9 4 5本章小結 6 0 i v 日錄島速銑削加丁穩定性與切削參數優化研究 5 總結與展望 6 2 5 1 總結 6 2 5 2 展望 6 3 至筻謝 6 4 參考文獻 6 5 附j 錄 7 1 v 傾二卜論文高速銑削加工穩定性與切削參數優化研究 1 緒論 1 1 選題背景和意義 高速切削具有高效 高精度的顯著優勢 受到國內外研究人員的重視 隨著高速切 削加工技術的日益成熟 高速切削技術作為一種先進的共性制造技術 已成為切削加工 的重要發展方向 高速切削技術和高速數控機床 加工中心在航空航天 汽車 模具等 行業得到越來越廣泛的應用 高速切削加工是以穩定切削為前提條件的 對高速切削穩 定性及加工質量的研究是提高切削加工效率和經濟效益 推動高速切削等先進加工技術 廣泛應用和快速發展的一項重要基礎課題 在機床切削加工過程中 刀具與工件之間出現劇烈的振動 會嚴重影響機床及刀具 的使用壽命 降低工件表面質量及產生較大的量振動噪聲 發揮先進制造技術的優勢 很大程度上取決于對切削加工過程中異常振動現象 如切削顫振 進行預報與控制的能 力 目前各種加工性能預測與評價分析方法都是基于穩定加工狀態建立的 因此 進行 銑削穩定性及切削參數優化的基礎理論研究 是更好的實現高檔數控設備的高性能 高 精度切削加工 并滿足國家對航天航空典型零件加工技術的重大需求急需解決的關鍵問 題 本課題以銑i 爭j d h 工為研究對象 主要對高速銑削加工過程動力學建模 切削穩定性 分析及加工質量等問題進行研究 從動力學建模角度對顫振機理進行研究 實現銑削加 工穩定性預測 分析工藝參數對切削穩定性的影響 采集切削加工過程中的信號進行顫 振識別 實現穩定切削區域的動態尋優 對高速銑削表面質量進行分析 最終結合動力 學仿真結果和表面粗糙度研究實現切削參數的優化 論文研究內容有助于指導實際加工 中的工藝參數規劃 可為切削參數優化及數據庫的開發提供技術支持 符合當前國內外 機床發展的方向 具有重要的工程應用價值 1 2 銑削加工過程穩定性及顫振識別研究現狀 高速加工中切削振動是影響工件加工表面質量及刀具壽命的重要因素之一 穩定切 削是發揮高速切削優勢的前提條件 是提高加 效率和保證加工質量的基礎 下文將針 對銑削加工過程穩定性預測及顫振識別兩個方面進行綜述 1 2 1 銑削程穩定性預測研究現狀 銑削穩定性預測研究的內容是對建立的動力學模型通過解析方法得到主軸轉速與 軸向切深組合 進而對穩定切削區與不穩定切削區進 7 7 翅j 分 實現從穩定性曲線圖中選 1 緒論 碩士論文 擇適當的切削參數 達到避免顫振 提高材料去除率的目的 再生型顫振是切削加工過 程中的主導顫振機制 針對再生型顫振的研究較多 發展也比較成熟 目前對銑削加工 過程中再生顫振穩定性預測方法主要有以下四種 1 頻域求解法 t o b i a s 1 和t l u s y l 2 3 1 首次對通過正交車削過程中的再生效應顫振現象進行了研究 提 出了綜合考慮切削系統動態特性的無顫振的穩定臨界切深表達式 t o b i a s i l l 考慮了切削 加工過程中由于刀具切削運動所產生的剛度和阻尼 分析了工件表面切削波紋內外環之 間的相位差 提出了一種繪制包含無顫振切深及主軸轉速的穩定性區域圖的方法 奠定 了后續學者對再生型顫振研究基礎 a l t i n t a s 和b u d a k 4 6 在該領域進行了更為深入的研 究 提出的銑削穩定性葉瓣圖的快速預測方法 該方法僅需要獲取刀具與工件材料接觸 區域的頻響函數 f r f 切削力系數 徑向切深及銑刀齒數 通過較少量的計算得到較 精確的穩定性曲線 由于該方法對方向系數做傅里葉變換后僅取零次諧波分量 因此該 方法被稱為零階求解方法 z e r oo d e rs o l u t i o n z o a 隨后 a l t i n t a s 團隊將頻域法推廣 應用到插銑削 7 1 球頭銑刀銑 8 1 變螺旋角刀具銑削 9 1 不等齒距銑刀銑削 1 0 等不同的 工況中進行銑削穩定性求解 2 時域求解法 雖然采用頻域求解方法的精度較高 然而該類方法所建立的銑削加工動力學模型忽 略了切削過程中的一些非線性因素 如刀齒跳出 刀具變形等 頻域分析模型的缺陷 促使了對穩定性極限進行預測的時域法的出現 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 時域仿真模型 發現當切削狀態達到穩定邊界時 切削力峰值會急劇 增長 利用切削力峰一峰值的變化較為直觀的得到了穩定性曲線圖 t l u s t y 等人 l2 j 應用 時域仿真方法研究了大徑向切深率時 等齒間角與不等齒間角銑刀銑削穩定性 a l t i n t a s 和c a m p o m a n e s 1 3 提出了一種改進的時域模型 對小徑向切深條件下的銑削進行了仿真 研究 該模型將預測的動態切削厚度與靜態切削厚度比值r l h a m a x h 置肼甜 作為無量綱顫 振判別系數 試驗表明當r l 1 2 5 時發生顫振 并對銑削力 三維表面形貌模擬及預測 了不同工況下的銑削顫振穩定性 l i 等人 1 4 1 使用仿真得到的最大動態切削力與最大靜態 切削力之比r l m a x i f a i m a x i f s i 作為顫振判定標準 并通過試驗得出當叩 1 3 時銑削 系統發生顫振 時域仿真方法能夠考慮刀具螺旋角 刀齒偏心 過程阻尼 刃口力和刀 齒跳出切削等非線性因素 并且可應用到鑲齒銑刀和變齒距銑刀等具有復雜幾何形狀的 刀具中 3 離散求解法 離散法預測銑削穩定性主要包括半離散法 時間有限元法和全離散法三種 其中對 高速銑削加丁穩定性與切削參數優化研究 半離散法和全離散法的研究較多 半離散法 i n s p e r g e r j 用包含周期系數矩陣的延時微分動力學方程組來描述動 態銑i 爭j d n 工過程 在研究周期性變化系數的時滯微分方程穩定性分析中首次提出了半離 散法 之后i n s p e r g e r 1 6 1 7 1 將該算法進行進一步改進 成功的將其分別應用到單自由度和 兩自由度銑削加工系統的顫振穩定性預測中 該方法基于f l o q u e t 理論 通過判斷一個 刀齒切削周期f 上的狀態傳遞矩陣 的特征值 的大小來進行銑削判穩 l o n g 1 9 j 將半離 散法進一步改進推廣 考慮切削過程的多時滯項 構建了四自由度銑削加工模型 運用 半離散法預測了其穩定性極限 李中倒2 0 j 推導出基于m a g n u s g a u s s i a n 截斷的零階半離 散穩定分析法 提高了半離散法的計算效率 并通過實驗驗證了不同工況下的銑削穩定 性曲線 時間有限元法 b a y 2 l 首次將時間有限元法 t f e a 運用到單自由度銑削穩 定性研究中 隨后又將該方法擴展應用于兩自由度銑削工況 d a v i e s 等l l8 j 考慮刀具一工 件之間的非線性接觸振動關系 利用t f e a 法對小徑向切深工況的穩定性進行了研究 全離散法 d i n g 等 2 2 提出了一種基于直接積分方法的顫振穩定域求解方法 并 將其稱為全離散法 全離散法與半離散法類似 區別在于半離散法僅離散了方程的周期 性變化系數和時間延遲項 而全離散方法則要離散所有時間相關項 隨后 在文獻 2 2 1 的基礎上 d i n g 等 2 3 提出了一種基于直接積分的二階全離散法 進一步完善了銑削顫 振穩定域預測的精度和效率 4 試驗法 除了上述三種較為廣泛應用的方法之外 還有學者通過切削試驗的方法得到銑削穩 定性曲線圖 g u i l l e mq u i n t a n a l 2 4 2 5 1 通過變軸向切深 在給定的主軸轉速及每齒進給量的 試驗條件下 利用麥克風采集加工過程中的噪聲信號進行快速傅立葉變換 f f t 進行顫 振識別 設定顫振發生的閥值 顫振發生時進行報警 控制機床停止切削 記錄當前軸 向切深值 之后改變主軸轉速重復上述過程 最后將工件上的顫振點記下繪制穩定性曲 線 通過切削試驗的方法得到銑削穩定性曲線圖在實際加工中具有一定的實用價值 但 由于存在實驗誤差 且試驗加工條件 工況因素是多變的 因此與時域法 頻域法及半 離散方法相比 得到的穩定性極限一般會存在較大誤差 因此試驗法繪制銑削穩定性曲 線的通用性較差 1 2 2 銑削顫振識別研究現狀 對銑削穩定性研究的最終目的是為了減小或消除加工時的顫振 建立銑削穩定性曲 線圖可以對加工中切削參數的合理選擇進行初步指導 但是實際加工中會存在工況的多 變性 切削條件 工藝系統參數偶然的變化也會導致切削加工過程失穩 因此 有必要 對加工過程特征信號進行分析 提前對切削顫振進行預報 進而采取措施對其進行控制 i 緒論 碩士論文 有關加工中顫振信號分析處理技術 從以下幾類進行綜述 1 時域分析方法 時域信號分析方法是通過對信號的時域特征值 均值 均方值 均方差 自相關及 互相關函數等 進行分析 對顫振進行初步的判斷 s c h m i t z i 2 6 1 對切削過程的聲音信號 進行一周期采樣統計 將其樣本統計方差仃2 作為顫振識別依據 顫振的發生時 盯2 增 大 i s m a i l 和k u b i c a l 2 7 提出定義一個比值r 進行顫振識別 尺為監測到的發生顫振時力 信號中的低頻成份與高頻成份之間的均方根比值 并且通過大量的試驗對顫振閥值進行 確定 s o l i m a n 等人 2 8 將銑床的主軸驅動器電流信號的統計特征值月值作為監測切削過 程顫振與否的準則 d u 等人 2 9 將監測信號中的力信號與噪聲信號分離出來 將它們之 間信號的方差比作為顫振監測指標 當方差比低于某一設定的閥值則表示顫振發生 2 頻域分析方法 時域信號分析不能準確的找出導致顫振發生的原因 頻域分析主要是通過快速傅立 葉變換 f f t 得到信號的頻譜或功率譜 p s d 根據功率譜圖中的特征頻率成份處譜 值的大小等信息 結合銑削系統的動態特性等參數 進而判斷被測銑削系統的所處狀態 d e l i o 等人1 3 0 1 對加工過程中的力信號 振動加速度信號和聲音信號進行快速傅立葉變換 并對比了測力儀 加速度傳感器和麥克風在實時監測中的應用優缺點 結果表明麥克風 采集的聲音信號更適用于加工過程中的顫振監測 f a a s s e n 3 l 提出了一種顫振實時監測與 控制的方法 并對加工過程中的力信號 振動加速度信號與聲音信號進行功率譜分析 認為實際加工中綜合考慮采用振動加速度較為適宜 3 時一頻域分析方法 小波分析通過時一頻域聯合方法對信號特征進行描述 得到信號的時頻譜 在切削 過程實時監測及顫振預報中有著很好的應用前景 c s s u h 3 2 1 將采集的銑削力信號進行 離散小波變換 d w t 從時頻域上分析了銑削過程從穩態向顫振發生時銑削力的狀態 變化 并將其運用到實際加工中顫振實時監測與制造工藝的優化 l e iw a n g 3 3 提出了一 種基于離散小波模極大值 w t m m 統計分析的無量綱顫振指標 該顫振指標不依賴 與加工參數及銑削系統的工藝參數 不易受切削條件的變化影響 因此適用于不同的切 削條件 而不必要耗時對顫振閥值進行重新設定 楊濤 3 4 j 對加工中的振動信號進行小波 包變換 基于主成份分析法對特征小波包進行重構 提取小波包變換特征值建立了顫振 的診斷模型 c h o i 和s h i n 3 5 將小波分析的最大似然估計 m l 估計v f 過程譜參數7 的方 法應用到切削顫振的識別 分析了顫振發生時刀具振動加速度的分形特征的變化 y a o 等人 3 6 提出一種基于小波變換和支持向量機模型的在線顫振監測與識別的方法 利用小 波變換的標準偏差和小波包能量值 構造一個二維特征矢量進行顫振識別 預測準確率 4 碩l 論文 苛速銑削加工穩定性1 j 切削參數優化研究 高達9 5 并且該方法能適應不同的工況 4 神經網絡識別方法 隨著人工智能技術的快速發展 一些研究者成功的將神經網絡技術運用到顫振預報 中 取得了良好的成果 t a r n g 等人1 3 8 基于自適應的諧振峰神經網絡 a r t 2 一a 建立 了一種銑削顫振實時監測系統 以主軸每轉中銑削合力的差距作為神經網絡的輸入量 通過模式識別技術對顫振和穩態切削時切削力信號進行分類 解決了顫振閥值能以確定 的困難 j u n i c h i 3 9 1 建立了基于小波變換和模糊神經網絡模型的高速端銑削顫振預測專家 系統 通過輸入切削條件及加工中的聲音信號 即可到達實時顫振預測 t a n s e l 3 7 1 利用 神經網絡對切削振動加速度信號的波形和振動頻率進行綜合訓練 成功有效的進行了顫 振的預測 并對其振動特性進行預測 1 3 銑削加工表面粗糙度研究現狀 零件的表面粗糙度是制造加工中必要的技術要求及評價表面質量的重要指標 影響 表面粗糙度的因素可歸結如表1 1 所示 表1 1 影響表面粗糙度的主要因素 4 4 l 影響因素 切削參數主軸轉速 切削速度 軸向切深 每齒進給量 進給速度 徑向切深 切削力 切削溫度 機床振動 工藝系統剛度 動態因素 刀具磨損 刀具運動軌跡 切削方式 潤滑方式 工件工件材料 力學性能 工件結構尺寸 刀具刀具材料 刀具安裝誤差 幾何參數 刀桿長度 懸長量 綜合考慮各方面的因素影響對表面粗糙度的分析非常復雜 在實際研究中可將這些 影響因素分離出來 設定一些影響精度較小的假設條件 選取主要的影響變量 以切削 參數變量影響研究居多 建立有針對性的理論與實際加工相結合的預測模型 在實際 應用過程中建立表面粗糙度的數學預測模型能夠為技術人員在選擇切削參數 切削條件 以及刀具時提供參考 f u h 47 j 通過田口試驗研究了切削參數及刀具幾何形狀對粗糙度的 影響 利用響應曲面法建立銑削鋁合金表面粗糙度模型 劉曉志 4 5 j 利用正交試驗建立了 銑削鈦合金t c l 8 材料時表面粗糙度的預測模型 鄢國洪1 4 6 j 研究了鈦合金t c 4 側銑削試 驗中平均切削厚度 材料去除率及銑削振動等因素對表面粗糙度的變化規律 隨著智能控制技術及現代優化算法的發展 一些學者將神經網絡運用到表面粗糙度 建模及預測中 并取得了一定的成果 曾誼暉 48 j 和田美麗 4 9 1 均以多組實際加工試驗數據 作為樣本 建立了基于徑向基神經網絡 r b f 的表面粗糙度預測模型 c h e n 5 1 j 基于自 適應神經模糊推理系統 a n f i s 建立了車削表面粗糙度預測模型 t s a i 5 0 1 以主軸轉速 l 緒論傾上論義 進給速度 切深及加工中的振動信號為輸入量 建立人工神經網絡預測模型 并將其與 回歸分析方法建立的模型對比 發現神經網絡預測精度更高 1 4 銑削加工參數優化研究現狀 切削參數的合理選擇直接影響加工系統的生產率以及產品的加工質量 通過建立加 工參數優化模型 利用優化算法得到切削參數的最優解 是指導加工參數選擇的一種有 效方法 劉曉志1 5 8 j 基于改進遺傳算法對鈦合金t c l 8 銑削參數進行優化 姜彬 5 4 1 建立了 基于主要目標法和線性加權和法的工藝參數多目標優化的數學模型 武美萍 55 j 基于變搜 索域遺傳算法進行了切削參數優化 并將結果運用到實際加工中 取得了良好的效益 劉海江 5 6 建立了最大生產率和最低生產成本的多目標優化模型 應用粒子群優化算法對 切削參數進行尋優 劉洋 5 7 建立了船用柴油機關鍵件銑削加工過程中的單目標及多目標 參數優化的數學模型 運用懲罰函數法在機床性能約束限制的可行域內進行求解 目前對切削參數優化建模方面的研究主要針對單目標及較少約束的情況建立的 對 于基于加工過程動力學模型的工藝參數優化的工作則相對較少 b u d a k 等人 6 1 6 2 提出了 基于單頻率解析法的無顫振最大化材料去除率的銑削工藝參數優化方法 m e r d o l 和 a 1 t i n t a s 6 3 提出了考慮如瞬時切厚 切削力 主軸功率 銑削穩定性等約束的最大材料去 除率優化模型 北京航空航天大學劉強團隊 5 2 5 3 建立了面向數控銑削加工的動力學仿真 優化系統 實現了數控加工工藝參數的優化選擇 k u r d i 5 9 6 0 1 等人提出了基于時域有限元 分析法和有限差分法的銑削穩定邊界相對于加工參數的靈敏度分析方法 并研究了基于 時域有限元分析法的材料去除率和加工表面位置誤差 s l e 同步優化問題 1 5 課題來源及主要研究內容 1 5 1 課題來源 本文的研究工作來源于國家科技重大專項 高檔數控機床與基礎制造裝備 一 航 空航天典型零件高速多軸聯動加工技術 編號 2 0 1 0 z x 0 4 0 1 4 0 51 1 5 2 主要研究內容 本學位論文對高速銑削加工過程動力學建模及仿真 表面粗糙度及切削參數優化等 問題展開相關研究工作 全文主要安排如下 第一章 緒論 介紹課題背景及意義 對銑削穩定性與切削參數優化等問題相關的 研究現狀進行概述 并對文章結構內容進行安排 第二章 銑削加工過程動力學建模和仿真 建立了銑加工動態銑削力模型 通過解 析算法對建立的再生型顫振模型求解 并對銑削穩定性影響因素進行研究 為高速銑削 壩i 論文 寄速銑削加工穩定性與切削參數優化研究 穩定性研究提供理論支撐 第三章 銑削加工過程穩定性試驗驗證 通過設計合理的切削試驗對銑削穩定性預 測模型進行驗證 對加工過程中顫振信號進行分析 提出一種調整切削參數的顫振抑制 尋優策略 為切削參數的合理選擇提供技術支持 第四章 高速銑削鈦合金表面粗糙度及切削參數優化研究 對高速銑削鈦合金表面 粗糙度進行了研究 建立了表面粗糙度神經預測模型 應用銑削穩定性和表面粗糙度的 研究結果 實現了切削參數優化 第五章 總結與展望 總結了本論文的主要工作及成果 對銑削穩定性進一步研究 方向進行展望 2 銑削加工過程動力學建模和仿真 碩士論文 2 銑削加工過程動力學建模和仿真 本章首先分析顫振形成機理 建立了動態銑削力模型 對建立的銑削加工再生型顫 振解析模型進行穩定性極限求解 利用m a t l a b 得到銑削穩定性曲線 通過半離散法 對小徑向切深穩定性進行了研究 最后對加工過程穩定性影響因素進行分析 為合理選 擇加工參數及機床結構設計提供理論指導 2 1 再生型顫振機理分析 機床切削加工中顫振問題的理論研究始于t a y l o r 在其文獻 6 4 中首次對顫振現象 的描述 按其物理形成原因可分為 摩擦型顫振 振型耦合型顫振和再生型顫振三類 其中 摩擦型顫振是在切削速度方向上由刀具和工件之間的相互摩擦作用所引起的顫 振 振型耦合型顫振是由振動系統固有振型在不同方向剛度相近而產生耦合引起的顫 振 再生型顫振是由于前后兩次切削振紋間的相位差導致切削厚度變化而引起的自激振 動 再生型顫振是切削加工過程中的主導顫振機制 詳細研究見第一章綜述 本小節僅 對其產生機理進行簡單介紹 銑削加工過程的再生型顫振閉環控制系統模型可簡化為如圖2 1 所示 系統以切削 深度口口 t 為輸入 以動態位移 2 0 為輸出 在動態銑削力以t 和切削系統傳遞函數g c o 的作用下 由于切削過程的銑削力作用使得刀具與工件發生相對振動g t 并在工件表 面造成加工振紋 前后兩次切削振紋間的相位差導致切削厚度變化使得g t 變化為q t d 并產生振動位移反饋p 和 當系統的反饋能量大于一個切削周期由系統阻尼耗散的能量 時 便導致刀具一工件系統的自激振動 即顫振 系統輸入 切削過程動力學特性 切削系統傳遞函數系統輸出 n 淤 a t t q j l c j 動態銑削力f c t g 初次反饋 g 冉生反饋 f h e 動態切削力建模 圖2 再生型顫振閉環控制模型 銑削力進行是切削穩定性研究的基礎物理量之一 建立合適的銑削力模型預測加工 過程的銑削力 對指導切削參數的合理選擇 減小刀具磨損 進而提高生產效率和零件 青速銑削i n j 工穩定 陣0 切削參數優化研 e 加工表面質量具有重要意義 再生型切削力解析模型是銑削動力學研究中應用最為廣泛 的銑削力模型 設螺旋立銑刀的刀具半徑為尺 螺旋角為 刀具齒數為z 主軸轉速為 q 軸向切深與徑向切深為 和a 建立如圖2 2 所示的模型 圖2 2 螺旋立銑7 切削刃兒1 口j 與黨力模型 2 2 1 瞬態切削厚度模型 切削厚度的大小直接影響著切削過程的銑削力 銑削過程中的瞬態切削厚度由兩部 分構成 一部分是由切削過程的給迸運動引起的靜態切削厚度 z 允 z 丘 s i n 辦 2 1 另一部分是切削過程中 當前刀齒與前一刀齒的振動引起的動態切削厚度h e a t z 變化 見圖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 考慮切削過程再生效應引起的總瞬態切削厚度可以表示為 h j t z 繡 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 為刀齒切削周期 0 9 7 n q 為切削頻率 2 2 2 動態銑削力模型 沿著軸向方向將其離散為m 個微元切削刃 銑削過程中由于刀具的螺旋角 使得 刀具切削刃上的點比刀具端點滯后 所以第 個刀齒上切削刃上一點在刀具坐標系下的 滯后角 可以表示為 2 銑削加t 過程動力學建模和仿真 碩 i j 論文 式中 o q t 為刀具轉動角度 啡為齒問角 當刀具齒數是均勻分布的 則有矽p 2 x n 考慮切削過程中的剪切力與犁切力作用 4 則第 個刀齒上的動態切削力微元可以 荔豢至 g c 辦 毒 如 麓 吃 r z 出 c 2 5 g 力 三矽 o s 丸 或o j 矽 e 丸沒喜蕓詈裂削 2 6 式中 丸 允分別表示切入角與切出角 由刀具的徑向切深決定 且有 協 卅m c o 文1 吸肛 銑 公幺c o s a e 逆銑 2 7 i 既2 萬 2 甜 c l 幾 黝憎礦臥 畛日p 億8 曩雖 蘭 善暑郭 莠萎 蘭筍 善暑郭 善 薈謄 c 拋 數 刀具半徑r 刀具螺旋角口 刀具齒數 切削參數 軸向切深a p 徑向切深 每齒迸給量正 以及對應的銑削力系數便可以通過式 2 9 進行計算仿真得到螺旋立銑刀 1 0 r 映i 論義 一 皇竺竺型塑二堡蘭蘭 竺型釜鍪堡 皇三一 為主軸轉速 工為每齒進 圖2 3 銑削動力學模型 該兩自由度銑削系統的振動微分方程可以表示為 限刪 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 為等效質量 反 如 為銑削系統的等效剛度 孫 為銑削系統的等效阻 尼 x 和y f 戈 f 和夕 戈 f 和歹 分別為刀具振動的位移 速度及加速度響應矢 量 疋 b 為作用在刀具上的動態銑削力 對圖2 3 建立的二維銑削動力學模型 將瓜y 方向的動態銑削力計算式 2 9 整理 為矩陣形式 如下 廠c 甕 圭 臼 k c 彳c 吉 臼 k i 蘭簍 2 三二z 莖善 c 2 式中 4 f 口 f 為隨時間變化的動念銑削力方向矩陣 可表示為 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 為徑向與切向銑削力系數比 k k k 一 4 f 是周期函數 眭l 振動力學及數學理論呵知 周期函數可以進行f o u r i e r 級數分 解 對 4 進行f o u r i e r 級數變換得到 1 l 2 銑削加工過程動力學建模和仿真 碩士論文 爿 f m 州 2 1 3 r 爿 土 爿o e r 嘶 d t 式 2 1 3 中的諧波階數 決定了f o u r i e r 級數的重構精度 a l t i n t a s 和b u d a k 4 1 在其論 文中證明了對周期函數口 d 進行f o u r i e r 級數展開后 其高次諧波對穩定性預測精度影 響很小 因此 對口 d 進行f o u r i e r 級數展開整理后保留首項 可得 爿 o 丟了彳 沈 r 2 1 4 么 o 只有在刀具處于切入角丸與切出角丸才有效 此時窗函數g 辦 1 所以上 式可以表示為 c 彳c 去 c 么c d 矽 墓三i c 2 5 式中平均方向系數可以計算為 圭 c o s 2 痧一2 k r 矽 酗i n 2 糾籌 2 扣叫叫 i k r c o s 2 仔 2 1 6 爭 n 2 矽 2 矽 群c s 2 籌 口 j 1 卜c s 2 矽一2 k 一k s i n 2 矽 憊 因此 由式 2 1 1 2 1 5 整理的得到動態銑削力可以表示為 m 去 k 州 o 卸 2 1 7 2 3 2 銑削加工穩定域求解 設刀具一工件接觸區域之間的傳遞函數矩陣為g 泐 的直接傳遞函數 甌 泐 g i c o 為交叉傳遞函數 g c z 國 l 乏 三 瓷 三 l 前后周期切削刀齒之間的的振動位移矢量分別為 f 彳 y 7 1 1 4 一 卜 t f 少 卜f 7 g x i c o 吒 泐 為銑削系統 2 1 8 2 1 9 頌l j 論文 高速銑削加 t 穩定性與切削參數優化研究 在顫振頻率q 處振動函數的頻域表達式為 訓鉑 圳鄺 矽7 2 2 0 4 一 o 緲o e a f f q 可以得到銑削過程中的再生動態位移為 a i c o 刊 吐 一4 一 i c o 31 一g 吐7 e a 4 dg 吱 廠 f 2 2 1 式中 q 丁是刀具振動在后續的刀齒周期f 之間的相位滯后 將再生動態位移a i c o 代 入動態銑削力計算式 2 1 7 可得 p 吲 i 1 口p k 1 p 1 7 彳 o a i g 廠 p 叫 2 2 2 令上式的行列式為零 可得到其特征方程 擬t i l 一萬l k 1 一e 1 町 t a 0 l a o 咄 o 2 2 3 上式為閉環動態銑削系統的特征方程 g o i c o 為有向傳遞函數矩陣 可表示為 g o c 咄 乏萋 篙 老毒 篡 乏瓷髫荔 乏毒苫篡 l c 2 糾 式 2 2 3 的特征解為 五一魯即k 1 百峨7 2 2 5 最終得到特征方程為 d e t 1 1 2 g o 娩 o 2 2 6 對于給定的顫振頻率哎 通過試驗獲得工件材料相應的切削力系數 x c k 加工時的切入切出角度 丸 屯 及銑削加工系統的傳遞函數g 泐 便可求得式 2 2 6 的特征值 為了方便計算 實際求解中可忽略交叉傳遞函數 即g v g o 將特征方 程簡化為一個二次函數 口 旯2 口1 兄 1 0 g o f 噥 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為 肛去慨 廳i 2 2 8 考慮到實際測試中 傳遞函數為復數形式 因此特征值包含實部與虛部 即 2 銑削加工過程動力學建模和仿真 碩 l 論義 五2 如 喝 e 1 6 0 c z c o s c or 一i s i n c o c r 將其代入到特征值式 2 2 5 可得到顫振頻率處的 臨界軸向切深 鏟一憊 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 實際加工中臨界軸向切深為口舢 為實數 因此上式中的虛部必定為零 有 乃 1 一c o s q o 一太s i n c o c r o 計算可得 一五一s i n c o c r 瓜 厶 1 c o s c o r 將式 2 3 1 代入 2 2 9 2 2 9 的實部 可得到最終臨界軸向切深為 a p l i m 一麓 膏 同時得到特征值的相位角 y a r c t a n v 刀具前后連續兩齒切削過程相位差s g 2 萬一2 沙 2 萬一2 t a n q 冬 1 k 是切削圓弧在工件表面留下的振動波紋整數 則有 o c t 2 s 2 k z 可求得臨界軸向切深相應的主軸轉速為 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 綜上所述 首先通過銑削實驗與模態實驗分別得到銑削力系數及切削系統的傳遞函 數 然后根據式 2 2 8 得到傳遞函數矩陣特征值的實部與虛部 最后將其代入 2 3 2 d 式 2 3 6 便可得出相應的臨界切深與對應的主軸轉速 2 3 3 銑削加工穩定性曲線繪制 由前文公式推導可以得出銑削過程穩定性曲線 現給出穩定性曲線的繪制具體流 程 1 銑削系統動力學參數參數m g o k f 及銑削力系數k 和k 壩f j 論義 商速銑削加一m 急定性 j 切削參數9 c 1 0 1 究 2 給定刀具齒數j v 和螺旋角 3 并計算切入角矽 及切出角九 3 在主模態附近選擇顫振頻率 并且解特征方程 2 2 8 4 根據式 2 3 2 計算出臨界軸向切削深度 枷 再由式 2 3 6 計算 冊相對應的 主軸轉速q 5 瓣圖曲線 6 以主軸轉速q 為橫坐標 極限軸向切深a