高速銑床切削再生顫振的非線性動力學分析.pdf

1、高檔數(shù)控機床是實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎裝備和保證國防與尖端工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略物資。高檔數(shù)控機床必需具備良好的動態(tài)特性,這一特性能夠提供高的切削速度和滿足高速切削加工,從而保證零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。高速銑床作為高速機床中的一種重要的切削設備,在現(xiàn)代的經(jīng)濟發(fā)展和國際競爭中發(fā)揮著重要的作用。而其在金屬切削過程中發(fā)生的再生顫振問題更是不可忽視。 金屬切削過程中發(fā)生的再生顫振是一種典型的由于振動位移延時反饋所導致的動態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象

2、,也是金屬切削機床發(fā)生自激振動的主要機制之一。顫振會惡化被加工零件的表面質(zhì)量,影響零件的使用性能并縮短其壽命,使機床和夾具的有關部位加速磨損、松動、喪失精度。顫振問題成為機械加工中限制生產(chǎn)率提高的主要障礙之一。所以,研究高速銑床切削再生顫振問題是一個具有實際工程背景的問題。本課題主要研究高速銑床切削再生顫振的非線性動力學。 本文研究了高速銑床切削加工系統(tǒng)的復雜非線性動力學特性。首先根據(jù)高速銑床切削加工系統(tǒng)的銑削過程,主要考慮主軸

3、轉速、切削厚度變化對再生顫振的影響,同時考慮了切屑和銑刀前刀面之間的干摩擦力,首次給出了切削力的表達式。然后利用牛頓運動定律建立了高速銑床切削加工系統(tǒng)的非線性時滯運動微分方程。接著對運動方程進行無量綱化,得到系統(tǒng)的無量綱運動方程,利用多尺度方法對運動控制方程進行攝動分析,得到系統(tǒng)在基本參數(shù)共振-主共振-1:1內(nèi)共振和主參數(shù)共振-1/2亞諧共振-1:1內(nèi)共振兩種情況下的平均方程。最后運用Matlab軟件對平均方程進行數(shù)值仿真,模擬了系統(tǒng)的

4、平面相圖、波形圖、三維相圖和頻譜圖,發(fā)現(xiàn)隨著控制參數(shù)的變化,系統(tǒng)存在周期運動、多倍周期運動和混沌運動。論文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點有以下幾個方面。 首先,建立了高速銑床切削加工系統(tǒng)的再生型顫振的非線性動力學模型,利用牛頓運動定律,通過計算非線性切削力得到高速銑床切削加工系統(tǒng)的動力學方程。在計算切削力時,本文考慮了刀具運動軌跡的幾何非線性,切屑和刀具前刀面之間的干摩擦和位移的延遲項對切削力的影響。然后,對運動時滯微分方程進行無量綱化,得

5、出系統(tǒng)的無量綱運動方程。 其次,針對所得到的高速銑床切削加工系統(tǒng)的無量綱運動方程,利用一階多尺度方法對該系統(tǒng)進行攝動分析,得到了系統(tǒng)在基本參數(shù)共振-主共振-1:1內(nèi)共振情況下的平均方程。運用Matlab軟件對高速銑床切削加工系統(tǒng)的平均方程進行數(shù)值仿真,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)隨著控制參數(shù)的變化,存在1倍周期運動、2倍周期運動、3倍周期運動、多倍周期運動和混沌運動。 分析高速銑床切削加工系統(tǒng)在1/2亞諧共振-1:1內(nèi)共振情況下的非線性動力

6、學,利用一階多尺度方法對無量綱運動方程進行攝動分析,得到了系統(tǒng)的平均方程。運用Matlab軟件對高速銑床切削加工系統(tǒng)的平均方程進行數(shù)值仿真,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)隨著控制參數(shù)的變化,存在1倍周期運動、2倍周期運動、3倍周期運動、多倍周期運動和混沌運動。最后,研究時滯因素對兩種不同共振情形下的平均方程的影響。根據(jù)基本參數(shù)共振-1:1內(nèi)共振和1/2亞諧共振-1:1內(nèi)共振情況下的平均方程,運用Matlab軟件調(diào)節(jié)時滯參數(shù)τ1和τ2,將系統(tǒng)在上述兩種共振關系