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[学位]

数控机床多轴联动铣削加工动力学集成建模研究

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Author:

张星 (张星.)

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Abstract:

高效精密数控加工离不开对数控机床性能与切削工艺过程的研究,传统上,针对数控机床和切削工艺的研究往往都是相对独立开展的,但随着对加工精度和效率要求的不断提高,这种割裂的研究因无法完全揭示数控加工本质,存在弊端导致其不能满足实际工程需要,而亟需对两者予以综合考虑。因此,本文研究数控机床复杂曲面多轴加工过程切削力学和动力学的基本原理,探索多轴联动加工中进给系统运动过程与铣削加工的动力学集成建模理论与方法,并提出考虑精度和效率等多重约束条件下的工艺参数与刀具路径优化策略,对揭示多轴联动、铣削加工与零件加工精度和效率之间的量化关系与影响机制,理论上突破机床-工艺交互作用机理,应用上实现高精高效加工具有重要意义。
针对复杂曲面多轴加工过程,建立了螺旋铣刀加工的铣削力精确预测模型。基于刀位信息,表征了刀具-工件理想空间几何相对运动关系,集成考虑刀具偏心、刀具-工件相对姿态和联动加工进给速度等因素,推导出了工件坐标系下切削刃的空间扫略轨迹面模型。采用线性数值迭代算法,实现了刀具-工件啮合区瞬时切削层厚度的准确求解,以及刀齿切入/切出角的计算,精确表征了复杂铣削条件下刀具-工件啮合的瞬时切削参数。提出了刀具偏心的非接触辨识方法,实现了刀具偏置和偏摆状态的准确识别,发现刀具偏心具有主轴转速依赖特性。提出了基于薄板铣削实验的刀具-工件材料对比切力系数的三步分离标定方法,顺利开展了刀具侧刃非线性剪切力比切力系数和端部刃比切力系数的标定。研究针对立铣刀、球头刀和非等齿间角刀具,开展了大量铣削实验,包括直线路径铣削、圆周铣削、以及五轴铣削,结果表明,所提出的铣削力建模方法具有较好的预测精度和普适性。
提出了刀具-工件系统变姿态加工多阶铣削动力学建模与分析方法。基于多自由度刀具和工件系统中微切削单元与自由度节点之间的位移插值关系,建立了多轴加工过程中任意刀具-工件相对姿态下的再生切削层厚度计算模型,实现了考虑柔性加工系统的多阶模态特性、动力学模型自由度方向与刀具-工件啮合坐标系非同向特性、以及刀具和工件系统主导振动非同向特性的铣削动力学行为表征。基于有限元理论中薄板弯曲单元和平面应力单元本构模型,提出了典型薄壁工件系统动力学分析的数值方法,实现了考虑材料去除过程的工件动态特性准确计算。提出了时变时滞系统的铣削稳定

性判定方法,以及稳态强迫振动下刀具-工件动态啮合的时域数值求解算法。开展了多组复杂工况下的实验研究,分析了多阶模态特性、复杂刀具-工件姿态、刀具偏心状态、铣削参数等对柔性加工系统铣削过程稳定性和零件加工质量的影响规律。
针对数控机床多轴联动加工过程,解析表征了考虑永磁体气隙非理想、驱动电路不对称和齿槽力矩等因素的电机谐波输出力矩,建立了数控机床单轴进给系统运动和多轴联动的运动控制模型,提出了数控机床多轴联动加工进给运动与铣削过程的动力学集成建模方法,实现了多轴联动加工过程中进给系统非理想位移输出条件下的刀具-工件动态啮合过程表征,形成了复杂曲面铣削成形过程的物理仿真方法。研究发现了在电机力矩和铣削力共同谐波激励作用下工件已加工表面会产生一种轮廓低频波动现象,解释了零件表面低频波动现象的形成机制,并指出谐波激励会严重恶化表面粗糙度,找到了工程上已加工表面粗糙度实测值往往远大于其名义值的原因。阐明了联动加工过程中联动误差与铣削过程误差间的叠加与耦合关系,及其与零件轮廓误差的映射关系。进行了多组多轴联动加工实验研究,结果表明所提出的集成建模方法是实现零件轮廓误差准确预测的有效方法,证明了其必要性和正确性。
考虑切削力学和切削动力学特性,以及机床多轴联动加工性能,提出了粗、精加工不同阶段下面向零件加工特征的工艺参数与刀具路径优化方法。其中,在铣削参数恒定的轮廓特征粗加工阶段,构建了以材料去除率最大化为优化目标,包含参数可行域、铣削稳定性、切削扭矩和主轴功率等多重约束条件的优化问题,实现了粗加工阶段的无颤振高效加工参数获取。在铣削参数恒定的轮廓特征精加工阶段,构建了以材料去除率最大化为优化目标,包含加工精度约束在内的多重约束条件下的优化问题,实现了精加工阶段的高精高效加工参数优化。针对复杂曲面类轮廓特征,以加工误差最小化为目标,提出了基于控制点修正的面向高精加工的刀具路径全局优化方法,并在实验案例中,实现了直纹面侧铣、自由曲面点铣过程在高精度要求下的刀具路径优化。

Keyword:

多轴联动 集成建模 数控机床 铣削加工 优化

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  • [ 1 ] 西安交通大学机械工程学院

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Basic Info :

Degree: 博士

Mentor: 赵万华

Year: 2018

Language: Other

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