基于變時(shí)滯特性的球頭刀五軸精銑削穩(wěn)定性研究.pdf

1、數(shù)控五軸銑削加工具有刀具-工件曲面法向夾角可調(diào)整以及刀刃切削點(diǎn)位置可控的優(yōu)點(diǎn)，特別適于重疊率較高的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的加工制造，在葉輪機(jī)械等高附加值的復(fù)雜曲面零件制造中得到了廣泛的應(yīng)用。然而在精加工中，由于加工參數(shù)選擇不當(dāng)而導(dǎo)致的顫振將在工件已加工表面形成振紋，需要采用額外的拋磨工藝進(jìn)行處理，極大地制約了加工質(zhì)量與制造效率。因此，如何克服銑削顫振的惡劣影響已成為數(shù)控五軸精密加工中面臨的最主要的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
　　 在切削過(guò)程中，未發(fā)

2、生塑性擠壓變形的切屑厚度稱為未變形切屑厚度或名義切屑厚度，是決定切削載荷的重要參數(shù)。而分別位于切屑前后表面上的一對(duì)描述局部未變形切屑厚度的點(diǎn)為切厚控制點(diǎn)。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)在切屑前后表面任一切厚控制點(diǎn)形成的再生波紋效應(yīng)是誘發(fā)銑削顫振的主要原因，只要切屑厚度波動(dòng)性所產(chǎn)生的波動(dòng)銑削力與銑削系統(tǒng)動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)之間存在位相差，銑削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就有可能從銑削力中不斷地吸取能量而擴(kuò)大銑削系統(tǒng)振幅，形成顫振。因而要對(duì)顫振行為進(jìn)行預(yù)報(bào)，需要明確切厚再生波紋效應(yīng)的反

3、饋機(jī)制與影響規(guī)律。對(duì)于球頭刀五軸銑削而言，由于切厚的再生波紋附著于形狀非規(guī)則、厚度非均一的未變形切屑表面，并使得不同的切厚控制點(diǎn)之間形成了方向非一致、間距非均一的時(shí)空映射關(guān)系，給準(zhǔn)確建立系統(tǒng)的再生波動(dòng)特性提出了挑戰(zhàn)。因此，如何在球頭刀五軸精銑削的三維幾何空間中描述再生波紋的時(shí)空特性、構(gòu)建三維再生波動(dòng)行為的動(dòng)力學(xué)反饋機(jī)制，是構(gòu)建銑削動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性參數(shù)邊界、評(píng)價(jià)已加工表面動(dòng)態(tài)輪廓誤差的關(guān)鍵所在?；谏鲜鎏魬?zhàn)，本文的研究?jī)?nèi)容主要包括:
　

4、　 一、球頭刀五軸精銑削切屑厚度與變時(shí)滯參數(shù)建模方法
　　 在利用球頭銑刀進(jìn)行復(fù)雜型面五軸數(shù)控銑削的過(guò)程中，切削刃軌跡是隨時(shí)間變化的空間曲線，經(jīng)過(guò)切屑前后表面一對(duì)切厚控制點(diǎn)的時(shí)刻之間亦將具有隨刀刃回轉(zhuǎn)角度而變化的時(shí)間間隔（時(shí)滯時(shí)間），這使得切屑三維形狀具有顯著的時(shí)空關(guān)聯(lián)特征。在小切深、小橫向進(jìn)給的精加工工況下，切屑尺寸相對(duì)較小，其形狀描述精度對(duì)切削刃軌跡細(xì)節(jié)特征的準(zhǔn)確描述更為敏感，傳統(tǒng)的以忽視刀刃軌跡時(shí)空關(guān)聯(lián)性為特征的球平移切

5、屑厚度建模法與正弦積法，在切屑厚度的描述上會(huì)引起更為顯著的原理性誤差;對(duì)于準(zhǔn)確描述時(shí)滯時(shí)間的時(shí)變特性亦無(wú)能為力，無(wú)法用于準(zhǔn)確定位切厚再生波紋的時(shí)空位置。針對(duì)球頭刀五軸銑削中傳統(tǒng)切屑厚度模型在描述切屑厚度與時(shí)滯時(shí)間參數(shù)上的不足，本文基于球面銑削刃真實(shí)的三維次擺線軌跡及其五軸銑削空間幾何變換規(guī)律，描述了變時(shí)滯參數(shù)的分布規(guī)律，結(jié)合銑削區(qū)域邊界形成機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了五軸球頭刀精銑削切屑幾何的精確表達(dá)。
　　 二、五軸銑削動(dòng)力學(xué)建模與銑削表面動(dòng)

6、態(tài)仿真方法
　　 基于精確的切屑厚度與變時(shí)滯參數(shù)模型，描述了切屑厚度再生波紋效應(yīng)的時(shí)滯反饋機(jī)制，建立了考慮刀具柔性與工件柔性的五軸精銑削動(dòng)力學(xué)模型。在變時(shí)滯參數(shù)離散插值的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了切屑厚度再生波紋效應(yīng)的動(dòng)態(tài)位移仿真;利用切削刃在工件已加工表面創(chuàng)成過(guò)程中歷經(jīng)的時(shí)間信息，與銑削系統(tǒng)動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)的離散時(shí)間信息實(shí)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)，建立了銑削表面的動(dòng)態(tài)創(chuàng)成模型，揭示了顫振銑削狀態(tài)與工件表面銑削質(zhì)量惡化之間的關(guān)系。針對(duì)已加工表面的幾何形貌特征，

7、提出了基于已加工表面殘留高度與區(qū)域連通特性的顫振特征判定方法，通過(guò)設(shè)計(jì)連續(xù)變切深的顫振激發(fā)實(shí)驗(yàn)，對(duì)銑削動(dòng)力學(xué)模型及其仿真方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 三、基于變時(shí)滯特性的五軸精銑削動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性預(yù)報(bào)方法
　　 在球頭刀五軸精銑削的瞬態(tài)未變形切厚模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了切屑厚度對(duì)銑削系統(tǒng)振動(dòng)位移的靈敏度因子，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)切屑厚度與動(dòng)態(tài)銑削力等系統(tǒng)非線性反饋特征的線性化描述。針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)值積分法無(wú)法在構(gòu)造系統(tǒng)周期性傳遞矩陣時(shí)處理系統(tǒng)變時(shí)滯

8、特征的問(wèn)題，提出了基于變時(shí)滯參數(shù)分布規(guī)律的狀態(tài)偏移矩陣構(gòu)造方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)從變時(shí)滯狀態(tài)變量集到整周期狀態(tài)變量集的狀態(tài)映射，解決了變時(shí)滯狀態(tài)變量集在周期性傳遞矩陣中的構(gòu)造難題。進(jìn)而應(yīng)用Floquet方法，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變量集在相鄰刀齒通過(guò)周期間的傳遞關(guān)系進(jìn)行了穩(wěn)定性判定，并獲得了系統(tǒng)狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)周期解。穩(wěn)定性葉瓣曲線的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，基于變時(shí)滯參數(shù)的銑削穩(wěn)定性判別方法具有較好的描述精度，可準(zhǔn)確描述穩(wěn)定性葉瓣曲線在球頭刀五軸精銑削工況下發(fā)生

9、的偏移現(xiàn)象。
　　 四、面向動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的銑削工藝優(yōu)化方法
　　 基于前述銑削動(dòng)力學(xué)模型與穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則，以無(wú)顫振穩(wěn)定銑削為目標(biāo)，闡述了五軸精銑削工藝參數(shù)的優(yōu)化策略與方法。首先，提出了球頭刀銑削力系數(shù)標(biāo)定新方法，采用小切深、變前傾角的圓柱面銑削模式，代替滿切深整球面沉浸的槽銑模式，對(duì)球頭刀切削刃的加工區(qū)域進(jìn)行遍歷，標(biāo)定出銑削力相對(duì)于刀刃切削點(diǎn)位置以及局部切屑厚度的變化關(guān)系。由于標(biāo)定過(guò)程中始終保持著恒定的小切削深度特征，避

10、免了傳統(tǒng)方法在標(biāo)定過(guò)程中出現(xiàn)銑削顫振的情況。另外，以鋁合金材料的軸流式葉片五軸精銑削為例，應(yīng)用基于區(qū)間適應(yīng)度的遺傳優(yōu)化算法，將CAM軟件幾何規(guī)劃功能與五軸精銑削模型的穩(wěn)定性判別技術(shù)相結(jié)合，建立了面向銑削穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)形貌質(zhì)量的工藝參數(shù)優(yōu)化策略，驗(yàn)證了本文提出的優(yōu)化方法在進(jìn)行球頭刀五軸精銑削顫振抑制中的有效性。
　　 綜上所述，本文圍繞球頭刀自由曲面數(shù)控五軸銑削中顫振預(yù)報(bào)與切削表面質(zhì)量控制，基于球面銑削刃真實(shí)的三維次擺線軌跡，建立了