（机械制造及其自动化专业论文）基于web的高速切削稳定性知识库研究.pdf

摘要 摘要 高速切削加工技术是近年来迅速崛起的一项先进制造技术，具有高效率， 高精度和低成本的突出优势，在现代加工制造中应用日益广泛。随着切削速 度的提高，切削过程中产生的振动，尤其是自激振动，严重影响切削效率， 表面质量，刀具寿命，往往导致大量的高速高性能机床发挥不出最大的加工 效能。预防和控制振动的传统方式，主要依赖切削过程中的经验和经过简化 的理论模型进行模拟分析，难以满足实际切削过程中发生振动时的控制要求。 知识的集成化、控制的智能化是制造业发展的一个主要方向。本课题将 专家系统中的知识库系统引入到切削过程稳定性控制中，研究了基于w e b 的 高速切削稳定性知识库系统。该系统可以给出测试切削加工系统的方法，根 据测试的结果，进行动态仿真，得到稳定性l o b e 图和切削力。如果在切削过 程中出现振动，利用振动故障推理机进行推理，可得出发生振动的原因和控 制振动的方法。在切削过程中所用到的测试方法，振动控制措施以及仿真所 用的切削系数可在知识库中检索到。 本课题主要完成了以下几个方面的研究工作： 1 ) 综述分析高速切削过程中的振动理论，振动动力学模型，影响切削过 程稳定性的要素，控制切削振动的措施，切削加工系统动态性能测试方法等。 2 ) 研究车削、铣削过程中切削力，稳定性l o b e 图的建模仿真方法。并根 据模型对影响切削力和稳定性的因素进行分析。通过稳定性l o b e 图的仿真可 以选择最佳的切削参数，根据选择的切削参数进行切削力仿真。 3 ) 研究建立切削稳定性知识库系统的关键技术，如切削振动知识的分类、 切削振动知识的表达方法、推理方法、基于w e b 的m a t l a b 仿真技术、数据 库技术在仿真系统中的应用等。 关键词：高速切削；稳定性；数据库；知识库；仿真 i x a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h - s p e e dm a c h i n i n gi sa l la d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g r a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，w h i c hp o s s e s s e do u t s t a n d i n go fh i g he f f i c i e n c y 、h i g h p r e c i s i o n 、l o wc o s ta n dh a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s w i t ht h ei n c r e a s i n go f m a c h i n i n gs p e e d ，t h ev i b r a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ec h a t t e ri nm a c h i n i n gp r o c e s s i n gh a s an e g t i v ei n f l u e n c eo ns u r f a c eq u a l i t ya n dt h el i f eo ft 0 0 1 m o r e o v e r , t h ec h a t t e r l i m i t st h ea p p l i c a t i o ne f f i c i e n c yo fm a n yh i g h - s p e e da n dh i g he f f i c i e n c ym a c h i n e s t h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fp r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gf o rc h a t t e rm o s t l yr e l yo nt h e e x p e r i m e n t a la n d o rt h e o r e t i c a lm o d e l s ，w h i c hi si n s u f f i c i e n c yi nc o n t r o l l i n gt h e c h a t t e ri nh i g hs p e e dc u t t i n g t h ei n t e g r a t i o no fk n o w l e d g ea n di n t e l l i g e n c eo fc o n t r o l l i n gi sag r e a t d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fm a n u f a c t u r i n g t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ek n o w l e d g e b a s eo ft h ee x p e r ts y s t e mi n t ot h ev i b r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n ds t u d i e so nt h ew e b - b a s e dh i g h - s p e e dm a c h i n i n gs t a b i l i t yk n o e l e d g eb a s es y s t e m t h es y s t e mf i r s t l y g i v e st h et e s t i n gm e t h o d ，t h e nc a r r i e so u tt h ee m u l a t i o na n dg e t st h es t a b i l i t yl o b e s a n dc u t t i n gf o r c ef i g u r e s t h ev i b r a t i o nc a u s e sa n dt h ec o n t r o l l i n gm e t h o d sc a n t h e nb eo b t a i n e db yi n f e r e n c ee n g i n ew h e nv i b r a t i o n sa r eg e n e r a t e di nh i g hs p e e d c u r i n gp r o c e s s e s t h ed a t a b a s ec o n t a i n st h ek n o w l e d g ea b o u tt h et e s t i n gm e a n s ， c o n t r o l l i n gm e t h o d sa n ds o m ec u r i n gp a r a m e t e r s t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i si n c l u d e ： 1 ) t h em a c h i n i n gv i b r a t i o nt h e o r y , v i b r a t i o nd y n a m i c sm o d e l ，t h ei n f l u e n c e f a c t o r so fs t a b i l i t y , c o n t r o l l i n gm e t h o d s ，t e s t i n gm e a n so fm a c h i n i n gs y s t e m d y n a m i cp e r f o r m a n c ea r ec o m p r e h e n s i v es t u d i e d 2 ) t h em o d e l i n gm e t h o d so fc u r i n gf o r c eo ft u r n i n ga n dm i l l i n ga n ds t a b i l i t y l o b ef i g u r e sa r es t u d i e d w i t ht h eh e l po ft h es t a b i l i t yl o b e ，t h em a c h i n i n gc h a t t e r i n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ea n a l y z e d t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e ro fc u r i n g s y s t e mc a nb e o b t a i n e db yt h es t a b i l i t yl o b e s t h ec u t t i n gp r o c e s sc a nb ea n a l y z e db yt h ec u t t i n g f o r c ef i g u r e x i 山东大学硕十学位论文 3 ) t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ed e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fd a t a b a s es u c ha st h e c l a s s i f i c a t i o no fv i b r a t i o nk n o w l e d g e ，t h ee x p r e s s i o no ft h ek n o w l e d g e ，w e b b a s e d m a t l a bs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h eu s eo fd a t a b a s ei ns i m u l a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dm a c h i n i n g ；s t a b i l i t y ；d a t a b a s e ；k n o w l e d g e b a s e ；s i m u l a t i o n x i l 论文中的主要符号及意义 论文中的主要符号及意义 切削深度，m m c l c 一一切削厚度，m m a w 一一切削宽度，m m q h 一一- - i l 每界切削宽度，m m 固有频率，舷 t - 工件转动周期，s 单位面积上的切削力，n m m 2 ( s ) 机床结构在研究方向上的传递函数 七 m c j 一 疋 k f c f z c k ， 一再生效应的重叠系数，无量纲 切削刚度系数，n m m 切削系统质量，l v ，l m m 切削系统粘性阻尼系数，n s m m 拉氏算子，无量纲 正压力系数，n m m 7 摩擦力系数，n m m ? 法向切削力， 进给方向切削力， 轴向切削力， 刀具主偏角，t a d 彰一一负偏角，r a d 五，- 刀具刃倾角，r a d nc 孝一- r - b 刀具前角，r a d 流屑角，r a d 一振动系统等效阻尼系数， 一进给量，聊删齿 刀尖圆弧半径，m m 铣刀的螺旋角，r a d n 一螺旋槽数 无量纲 x i i i 山东大学硕十学f f = 论文 d 一：一：刀具直径，聊所 犯，晖，_ ，吧，厂刀具微分段上的切向，径向和轴向力，n 玩，雠，如一切向，径向和轴向剪切力系数，n m m 2 玩，如，k 刃口力系数，单位均力，n m m 嗔，一刀具切入角，r a d 吃。一一刀具切出角，r a d 矽一一接触角，r a d 搿( 泐) ，。( f 彩) 喵和y 方向上的直接传递函数， 捌( 泐) ，中惯( f 缈) - 交叉传递函数 x i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：随 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩e l i 或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储躲溽亟新繇蝉逼日期：幽即d 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的及意义 第1 章绪论 机械制造业在国民经济中起着举足轻重的作用，它为国民经济的各部门 提供机器、机械装置和设备。可以说，机械制造业的技术水平和现代化程度， 决定了整个国民经济的技术水平和现代化程度。在现代机械制造业中，切削 加工是将金属毛坯加工成具有一定尺寸、形状和精度的零件的主要加工方法 【1 1 。据估计，占全球约1 5 的机械产品都是由切削加工完成的【2 1 。目前切削加 工约占整个机械加工工作量的9 0 以上【3 1 。 进入2 0 世纪8 0 年代后，机械制造业面临市场需求动态多变、产品更新 周期短、品种规格增多、批量减少和可持续发展要求等新特点。为适应这一 新形势，高效率、高质量、高柔性、绿色化和信息化已成为机械制造业发展 必然的趋势【4 】。高速切削加工技术由于适应了这一新的要求，随着科学技术的 迅速发展，在切削加工中应用越来越广泛。 伴随着我国成为世界制造大国，高速数控机床的应用将越来越多。面临 的重大问题是由于研究理论不足或者应用技术不足，这些机床难以发挥出它 们的最大加工效率。除了刀具的快速磨损、破损失效外，就是在远比额定速 度低的工况下出现强烈的振动。切削振动轻者影响加工精度、质量和效率， 重者工件报废或造成事故，殃及人身及整个机床系统的安全。特别随着切削 速度的提高，振动非常容易发生，而且后果非常严重。振动问题成了制约高 速切削技术应用的一个瓶颈。如何改善切削系统的动态性能，提高切削过程 的稳定性一直是各国研究者着力研究的问题。当前，对高速切削振动及稳定 性的理论研究较多，但是由于切削振动系统的复杂性，研究理论经过了大量 简化，难以应用到实际操作中。如何根据切削振动理论知识提出振动抑制操 作方法，将其方便地应用到生产现场，是目前机械制造业面临的一项重大而 严峻的课题。 为了提高机床的利用效率，更好的利用实践经验和研究理论。现在，最 常用的方法是建立切削数据库或切削加工过程仿真系统5 , 6 , 7 , 8 】。切削数据库是 根据经生产加工的经验数据建立数据库，提供在稳定切削条件下机床刀具 t lj 东大学硕十学位论文 工件切削参数的合理搭配，提高加工效率。切削数据库的建立带来的经济效 益是非常可观的【8 8 】。在切削数据库c u t d a t a 建库的初期，就为工业部门节 约了1 6 亿美元。切削数据库i n f o s 可使单件生产时间下降1 0 ，生产成本 下降1 0 。数据库s w s 经3 0 0 多家企业应用，平均每年可节约工时1 5 4 0 。 据c i r p 对切削数据库经济效益的调查表明，切削数据库可使加工成本下降 1 0 以上。切削加工仿真系统通过模拟加工过程，分析系统特性，能够避免可 能发生的问题，优化切削结果，极大的降低切削加工成本。但是两者都没有 将理论知识和专家经验结合起来，难以满足快速发展的高速切削加工的要求。 随着网络技术的进步和人工智能技术研究的深入，在线知识库成为一种支撑 人工智能系统、方便信息检索、存储和完善知识的一种重要形式，对于知识 的搜集、整理与应用有重要的意义。因此本文综合近年来人工智能研究成果 和最新的网络技术，结合高速切削加工应用的需求，将数据库、仿真系统和 知识库系统引入切削过程稳定性控制中，提出基于w e b 的高速切削稳定性知 识库系统。 本课题的研究目的一是系统地整理研究切削稳定性研究成果，并将其按 照知识库系统的要求进行分类、表达、描述和存储：二是探讨基于w e b 的高 速切削稳定性知识库的建立模式和功能结构，满足切削知识库实用化和网络 化的要求；三是研究切削数据库，仿真系统在基于w e b 知识库中的应用技术， 设计知识库界面，为高速切削稳定性知识库奠定应用基础。 1 2 课题背景及国内外研究现状 1 2 1 高速切削加工技术 自2 0 世纪3 0 年代德国c a r l s a l o m o n 博士首次提出高速切削概念以来， 经过5 0 年代的高速切削机理与可行性研究，7 0 年代的工艺技术研究，8 0 年 代全面系统的高速切削技术研究，到9 0 年代初，高速切削技术开始进入实用 化，9 0 年代后期，商品化高速切削机床大量涌现，2 1 世纪初，高速切削技 术在工业发达国家得到较普遍应用，成为切削加工的主流技术【1 1 1 。 根据1 9 9 2 年国际生产工程研究会( c i r p ) 年会主题报告的定义【1 2 】，高速 切削通常指切削速度超过传统切削速度5 1 0 倍的切削加工。因此，被加工 2 第1 章绪论 工件材料和加工工艺的不同，高速切削的切削速度范围也不同。高速切削包 括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速镗削等，但大部分应用是高速铣削。 目前，高速铣削加工铝合金已达到2 0 0 0 - 7 5 0 0 m m i r a 铸铁为9 0 0 5 0 0 0 m m i n ； 钢为6 0 0 - - - 3 0 0 0 m m i n ；耐热镍基合金达5 0 0 m m i n ；钛合金达15 0 10 0 0 m m i n ； 纤维增强塑料为2 0 0 0 9 0 0 0 m m i n 1 3 j 。 与普通切削相比，高速切削有如下优点，使得其在生产中应用越来越广 泛 4 3 3 】。 1 ) 随切削速度的提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少， 大幅度提高加工效率，降低加工成本。 2 ) 在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力随之减少，根据切削 速度提高的幅度，切削力平均可减少3 0 以上，有利于对刚性较差和薄壁零 件的切削加工。 3 ) 高速切削加工时，切屑以很高的速度流出，带走大量的切削热，切削 速度提高愈大，带走的热量愈多，大致在9 0 以上，传给工件的热量大幅度 减少，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。 4 ) 从动力学的角度，高速切削加工过程中，随切削速度的提高，切削力 降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激振源；转速的提高，使得 切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对 低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。 5 ) 高速切削加工可加工硬度h r c ( 4 5 - - , 6 5 ) 的淬硬钢铁件，如高速切削加 工淬硬后的模具可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求。 高速切削的上述优点，反映了在其适用领域内，能够满足效率、质量和 成本越来越高的要求，同时，解决了三维曲面形状高效精密加工问题，并为 硬材料和薄壁件加工提供了新的解决方案。高速切削在航空航天业、模具工 业、电子行业、汽车工业等领域得到越来越广泛的应用。 1 2 2 高速切削过程中振动及稳定性研究 切削过程中，刀具和工件之间叠加于规定运动( 即进给运动和切削运动) 之上的相对运动可以区分为由外界激励引起的强迫振动与切削过程本身引起 的自激振动( 即切削颤振) 。振动引起的不利后果非常严重，所以半个世纪来， 3 山东大学硕十学位论文 许多国家不惜投入大量的人力物力财力组织研究机床切削振动产生的机理、 振动模型，对生产的实际影响及控制预防措施，取得了令人瞩目的成果，也 存在不少有争议的问题待解释澄清【1 4 】。 对高速切削过程中稳定性的研究主要集中在以下几个方面【1 5 , 1 6 , 1 7 】： 1 ) 切削颤振机理与模型的研究：主要包括颤振产生的原因、线性或非线 性的数学模型，数学模型的求解方法等； 2 ) 机床切削系统动态特性的研究：主要包括机床结构动力学模型，机床 振动特性分析，系统识别，机床结构动态特性实验技术等； 3 ) 切削颤振预测与控制方法的研究：主要包括机床结构的设计与改进， 吸振器或附加减振装置的研制、切削参数( 如主轴转速、进给量、切削深度等) 的调节措施； 4 ) 切削颤振的在线监测与控制：主要包括切削加工过程中对颤振预报及 其特征量的在线监测，识别，预测和在线控制策略等。 近年来，国内外一些研究人员将新的学科，如人工智能技术、神经网络 技术、模糊控制理论、小波分析以及混沌控制等新理论、新技术、新方法、 引入切削颤振的研究、取得了一系列成果。 切削稳定性是指机床抵抗切削颤振的能力。一个振动系统，受到外界的 偶然扰动后会产生三种可能情况： 1 ) 振动的位移越来越小，最后趋于零，系统回复到平衡状态，这时称系 统是稳定的； 2 ) 振动位移幅值越来越大，这种情况成为不稳定状态； 3 ) 振动位移的幅值不增加也不递减，无限制的进行下去，这种情况处于 稳定振动和不稳定振动之间的临界状态，也属于不稳定状态。 对切削稳定性的研究主要是应用控制理论中的稳定性判别方式对建立起 的切削加工系统模型进行判别，主要的研究集中在切削稳定性极限的判别和 极限阈值的预测分析理论和分析方法的研究上。 早期的关于切削稳定性的研究通常将振动系统作为单自由度线性系统来 考虑，这样处理问题比较简单，对车削加工等有一定的指导作用，但是往往 误差比较大。在复杂加工结构和多自由度中以及高速切削加工、精密加工和 4 第1 苹绪 论 超精密加工中，这种理论应用范围非常有限。目前，针对切削稳定性理论， 各国学者开始研究切削加工系统非线性和多自由度切削振动。 1 2 3 切削数据库的研究与应用现状 切削数据是衡量切削技术水平高低的一个基本量值。采用合理的切削数 据，可以充分发挥切削机床和切削刀具的功能，尤其对于各种自动化加工机 床、数控机床和加工中心来说，自动化加工的辅助时间已大大缩短。随着计 算机及网络技术的发展，计算机在切削加工中的应用日益增多，国内外已建 立起多种用计算机来筹建的切削数据库。表1 1 是国外重要的切削数据库调查 表。 表1 - 1 国外重要的切削数据库【8 8 l 国家。5 数据库名稼钟端擀数据库使用切削数据来透数据种类 比利时 c r i f & m i b r o t ； 奎 法国 c e t i m 0 车钻铣 德国 i n f o s o s o l 车钻铣磨 日本t r i i l m i b r o t ； s p l车钻铣 扬i 威 s i n t e f & m i b r o t j 瑞典 8 a n i b r o t ； 英国 p e r a m a c b a n k o 车钻铣 美国c u t d a t a o p l 车钻铣磨 德国 s w s d s p l 车钻铣磨 以色列 t e c h n l 0 n o p l 车钻铣 印度 d a t a m d c o 5 p l车钻铣 瑞典 c r v e f c o r o c u t i 重m i b r o t ； s p车钻铣 & m i b r o t ；筹建中：d 投入使用：s 接验室采集ip 吐产车间采集：l - 文献资料采集 在已建立的切削数据库中，当属c u t d a t a 与i n f o s 最为著名。1 9 6 4 年， 美国金属切削联合研究公司和美国空军材料实验所联合建立了美国空军加工 性数据中一i 二, ( a f m d c ) ，该中心开发的c u t d a t a 切削数据库，是世界上第一 个金属切削数据库，该数据库包含大量的切削试验数据，并且经过多次更新， 比较全面、可靠，目前可以为3 7 5 0 种以上的工件材料，2 2 种加工方式及1 2 种刀具材料提供切削参数。德国1 9 7 1 年建立了切削数据情报中心( r n f o s ) ， 5 山东大学硕七学位论文 该中心存储的材料可加工性信息达二百多万个单数据，成为世界上存储信息 最多、软件系统最完整和数据服务能力最强的切削数据库之一【1 9 2 1 1 。 我国是从2 0 世纪8 0 年代开始建立切削数据库的。目前，国内有成都工 具研究所、南京航空航天大学、北京理工大学、西北工业大学、上海工业大 学、山东大学、哈尔滨理工大学和天津大学等单位，在切削数据库方面开展 了一些研究工作。 1 2 4 基于w e b 的仿真系统的研究与应用现状 6 虚拟数控加工过程仿真是借助计算机，利用数学模型对实际加工系统进 行实验研究的过程。按照所用模型的类型可分为：( 1 ) 几何仿真一加工过程的几 何仿真不考虑切削参数、切削力及其他物理因素对切削加工的影响，只仿真 机床、刀具和工件几何体的相对运动；( 2 ) 物理仿真一物理仿真将切削过程中 的各物理因素的变化映射到虚拟制造系统中，在实际加工过程进行之前分析 与预测各切削参数的变化及干扰因素对加工过程的影响，能够揭示加工过程 的实质。物理仿真的主要内容包括：切削力仿真、加工误差仿真、切屑生成 过程仿真、刀具磨损仿真，数控机床的振动和温度分布仿真、加工表面完整 性( 如表面粗糙度、加工硬化、残余应力等) 和加工精度仿真等。 在加工过程仿真方面，国外部分公司已陆续开发出了具有切削力、切削 热、表面形貌、振动特性等仿真功能的系统和软件【8 1 1 ，并在工程实际中得到 了应用。比较著名的有加拿大的c u t p r o 9 , 8 9 1 和美国的m e t a l m a x 9 1 等。国内北京 航空航天大学建立了基于w e b 的铣削过程颤振稳定域远程仿真系统【2 2 1 ，利用 网络技术建立了用m a t l a b 绘制的稳定性l o b e 图，结合绘图软件建立起虚拟 制造系统，利用软件技术开发虚拟加工系统，这些研究为提高切削效率，更 好的了解切削振动原理提供了很好的研究平台。 w e b 系统是一种特殊的客户一服务器结构，w e b 网络的主要功能是进行 资源共享。在网络中，共享的程序或资源一般被存放到服务器( s e r v e r ) 上，用 户可使用自己计算机上的特定软件访问这台服务器，用户的计算机被称为客 户机( c l i e n t ) 。服务器端负责处理来自客户端的请求，而客户端则负责和用户 进行交互。二者之间通过通信建立客户一服务器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 的运算模 型【2 3 】。 第l 章绪 论 最初的客户一服务器计算模式是两层结构的，两层结构的客户一服务器 模式由于应用逻辑安装在每一个客户机上，所以具有安装与维护麻烦、客户 端程序铰为庞大、对客户机的性能要求较高等缺点。为克服这些缺点，出现 了三层客户一服务器的计算模式。三层客户一服务器结构的思路主要有两点： 一是使客户端进一步变小，客户端只安装浏览器就可以访问应用程序；二是 增加服务器的品种。w e b 模式就是一种三层的客户一服务器模式，特别是在 数据库的应用中更是如此。w e b 上的三层客户一服务器模式如图1 1 所示。 用户 图1 1w e b 的三层客户服务器计算模式 w e b 程序的发展基本上可分成三个阶段：h t m l 语言、s c r i p t 描述语言、 a s p 和a s e n e t 语言阶段。 1 ) h t m l 语言阶段 早期的w | e b 程序主要是通过超文本标记语言( h y p e r - t e x tm a r k u p l a n g u a g e ，h t m l ) 进行编写的。h t m l 是一种描述语言，可以使用记事本等文 本编辑器来编写h t m l 文档，该文档经过浏览器的解释就成了w e b 页面。该 种w e b 应用程序具有格式简单，访问速度快，易于设计静态网页等优点。缺 点是设计不灵活，易产生大量的数据冗余，不能满足动态交互的要求等。 2 ) s c r i p t 语言阶段 为了克服h i m l 语言设计网页的缺点，人们又设计了另一种w e b 程序设 计方法一一h t m l + s c r i p t 语言方法，常用的s c r i p t 语言有v b s c r i p t 和 j a v a s c r i p t ，通过使用这些s c r i p t 语言，使程序具有了计算和数据处理功能， 从而可以像编写应用程序一样编写w e b 页面，并且可以在程序中调用如a c t i v e 等的控件。这样不但使网页的设计工作变的方便灵活，同时设计出来的网页 功能强大、使用方便。但是这种w e b 程序设计也有一个明显的缺点，就是网 络的传输量大大增加。 3 ) a s p 和a s e n e t 语言阶段 为了解决s c r i p t 语言带来的网络传输增大问题，w e b 系统设计者又设计了 另一种新的模式一服务器运算模式。这种模式的特点是：程序及程序中所用 7 山东大学硕十学f f 7 ：论文 到的资源都存放在服务器上，当客户机访问服务器时，服务器不再把程序传 送到客户机上，而是直接在服务器上运行，然后将运算结果生成h t m l 文件， 并发给客户机，该种模式下，大大减少了客户端主机的运算量，而且还使网 络的传输量大为减少，同时由于数据不需要传到客户端处理，安全性也高， 所以该种w e b 程序开发模式应用非常广泛。 m a t l a b 是集科学运算、绘图、系统建模和程序语言设计于一体的计算 软件，为工程计算提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、信号与图像处理 等工具。同时利用m a t l a b 工具箱中的m a t l a bw e bs e r v e r 工具可以在 i n t e m e t i n t r a n e t 环境下开发远程数据处理程序，用户将远程采集到的数据通过 i n t e m e t 和i n t r a n e t 传输到w 曲服务器端。根据不同的处理需要提交给m a t l a b 软件进行计算，将计算结果返回给浏览器端并可以通过图形形式在浏览器上 直观地显示。m a t l a b 已广泛的应用在数据和图形处理中，是w e b 仿真程序 的重要构成部分。 1 3 目前存在的主要问题 8 根据文献资料和生产调研分析，目前切削稳定性的研究和应用状况中存 在的问题主要有以下几个方面： 1 ) 高速切削理论在生产中的应用除了直接查询参考文献书籍得到切削用 量外，较普遍的方式就是建立切削数据库和切削加工仿真系统。切削数据库 的优点是能直接提供经验切削参数，但是这些参数由于很多是在普通切削条 件下测得的，并不能保证在高速切削中能正确应用。物理仿真系统能根据系 统的参数提供切削力、切削热、表面粗糙度等，但是由于模型都是经过简化 的理想系统，和实际的切削加工系统存在一定的出入。 2 ) 切削数据库和仿真系统，都是在切削开始时提供优化的切削参数，对 切削过程中发生的切削条件改变，无法提供必要的切削参数的调整措施。而 在切削过程中总结的大量的专家经验，由于分布零散，加大了在生产中应用 的难度，迫切需要一种新型的知识库系统来存储和管理这方面的知识。 3 ) 数据库和仿真系统，只能提供最终的结果，没有存储切削振动的相关 知识。应用者只能简单的接受系统输出的参数，并不能理解获得切削参数的 过程，所以对一些特殊情况，缺少具体应对措施。对于一些需要用户自己输 第1 章绪论 入的系统特性参数，也没有给出具体的实验和求解获取方法，会造成用户在 应用过程中很难更好地发挥数据库和仿真系统的作用。 4 ) 现有的数据库系统和仿真系统功能太简单，一般仅有简单的参数查询 功能。随着制造向智能制造发展，新的系统需要更多的功能来满足未来智能 制造的要求。 5 ) 目前的很多切削数据库或仿真系统都是基于c s 模式的，由于系统的 不同，可能会产生不兼容问题，而且随着数据的增多，需要更新软件，加大 了企业的成本，随着w e b 技术的发展和基于b s 模式软件的广泛应用，迫切 需要研究建立一种基于b s 的系统来更好的应用切削振动理论。 1 4 本课题研究的主要内容 针对目前切削稳定性研究和应用中存在的问题，拟定了本课题的研究内 容： 1 ) 基于w e b 的切削稳定性l o b e 图仿真系统：切削稳定性l o b e 图的仿真是 切削稳定性知识库系统的重要组成部分，也是选取切削参数的重要依据。本 文在振动机理分析的基础上建立切削振动系统模型，并能根据用户提供的切 削系统参数绘制切削加工系统的稳定性l o b e 图。 2 ) 基于w r e b 的切削力仿真系统：切削力是研究切削振动，表面粗糙度的 基础，也是选择刀具，夹具的重要依据。本文在切削加工系统物理模型的基 础上建立基于w e b 的切削力仿真系统。 3 ) 基于w e b 的切削数据库的研究：本文研究数据库在仿真系统及知识库 中的应用，基于w e b 的数据库主要存储是切削中用到的切削振动参数和实例， 以及各种切削振动参数的意义和求解方法。 4 ) 基于w e b 的知识库系统的研究：基于w e b 的切削稳定性知识库系统主 要存储切削稳定性的基础理论知识、分析方法和专家经验。该知识库能为用 户在线提供处理切削振动的方法和提供系统稳定性的措施。本文在系统功能 分析的基础上，研究基于w e b 的高速切削稳定性知识库的系统结构和设计方 法。 5 ) 切削振动理论和稳定性知识的研究：切削振动理论和稳定性知识是知 识库系统的基础，在整理并验证切削振动理论基础上，对切削振动知识进行 9 l i i 东大学硕七学位论文 分析处理，提出高速切削稳定性知识的表示方法，分类方法和描述、存储方 法。 l o 第2 章高速切削振动及切削稳定性研究 第2 章高速切削振动及切削稳定性研究 切削加工是一个非常复杂的过程，随着机械工业的发展，切削加工的 速度越来越高，对零件的质量和表面精度提出了更高的要求。而在实际加 工过程中产生的振动将使机床零件过早出现疲劳破坏，从而使零件的安全 性、可靠性和强度下降，并且还会导致被加工工件的表面粗糙度增大和加 工精度降低，刀具寿命和生产率下降。切削振动严重时，有时刀刃会跳离 工件，切削厚度降至为零，而有时刀刃又会深深地扎入工件，其瞬时切削 厚度比名义值大好几倍，甚至发生因切削振动使被加工零件折断的重大事 故。此外，切削振动还会产生很大的噪音，污染环境，危害操作者的健康。 大量事实证明，切削振动已成为切削加工中限制生产率提高的主要障碍之 一。 二战后，a r n o l d 率先发表了从实验和理论两方面研究切削振动的结果 【1 4 】。此后诸多研究者开始了关于切削振动的研究，经过半个多世纪的研究， 切削振动已成为一门较完善的理论。振动是一个多学科交叉的问题，关于 振动的研究多是针对振动过程中的某一领域或问题进行研究，最新的研究 成果多分散在一些论文和著作中。本章针对切削振动理论研究零散的特点， 系统整理分析切削振动的基本理论，控制切削振动的基本措施和分析方法 等，为建立高速切削稳定性知识库系统奠定基础。 2 1 高速切削系统振动原因分析 研究振动的成因，对认识振动，消减振动具有重要意义。振动的形式 多种多样，按其产生的原因可以分为以下三种： 1 ) 自由振动一一当机械系统受到干扰而破坏了其平衡状态后，由系统 的弹性恢复力来维持的振动。当系统有阻尼时，由于在振动过程中只有能 量消耗而无输入，振动将逐渐衰减。自由振动的频率就是系统的固有频率。 2 ) 受迫振动一一由外界持续激振力引起和维持的振动。振动的频率就 是激振频率。 山东大学硕十学何论文 3 ) 自激振动一一系统在一定条件下，没有外部激振力而由系统本身产 生的交变力激发而维持地种稳定的周期性振动。振动的频率接近于系统 的固有频率。 一般来说，机床工作时所发生的振动基本上有两大类：( 1 ) 受迫振动， 例如在车床、铣床和磨床上，经常见到回转主轴系统的受迫振动，其频率 取决于回转主轴系统的转速( 在铣削时还同铣刀的齿数有关) ：( 2 ) 自激振动， 在机床上发生的自激振动类型较多，例如有回转主轴( 或与工件、或与刀具 联系) 系统的扭转或弯曲自激振动；机床床身、立柱、横梁等支撑件的弯曲 或扭转自激振动；整台机床的摇晃，此外还有机床的工作台等移动部件在 低速运动时所发生的张弛摩擦自激振动等。 切削加工过程产生受迫振动的原因是多种多样的，主要有：由地基振 动引起的机床振动；由高速回转的机床不平衡部件和工件所引起的振动； 机床传动机构的缺陷所引起的振动；切削过程间歇特性引起的振动；往复 运动的机床部件的惯性力所引起的振动等。机床工作时虽在很多情况下会 遇到受迫振动，但一般说来受迫振动只有对精加工机床，特别是磨床，精 密镗床和精密车床等影响较大。通常把金属切削过程中表现为刀具与工件 之间强烈的相对振动的这种自激振动称为“颤振”。研究表明切削过程中的 切削颤振的发生与切削过程和机床结构特性及其相互作用都有关系。 切削颤振发生切削过程方面的原因主要有【1 4 4 0 t4 1 】： 1 ) 切削截面积，特别是切削厚度的变化； 2 ) 再生效应，前一次走刀在工件表面产生的振纹，将使第二次走刀的 切削深度发生周期性变化，从而产生交变力即动态切削力而加强振动； 3 ) 切削速度变化，切削力切削速度下降特性( 又称为摩擦性颤振) 。切 削力随切削速度的增加而下降这一特性是一种负阻尼作用，可导致切削稳 定性差，从而引起自激振动； 4 ) 切削厚度的变化速度。振动使切削厚度发生变化，但是由于振动形 式的不同以及车削加工时工件半径逐渐减小，切削厚度的变化越来越快； 5 ) 切削厚度变化与切削力变化间的相位差； 6 ) 负阻尼：切削刃前角，切削剪切角变化； 7 ) 切屑形成不稳定：积屑瘤，鳞状，片状切屑的形成；。 1 2 第2 章高速切削振动及切削稳定性研究 8 ) 大干扰，外界某种原因的大干扰，致使刀具瞬间振离工件表面。 切削颤振发生机床方面的原因有： 振型关联效应：固有振动间耦合，切削表面法线方向对这些固有振动 主方向间的偏离等。 在上述切削颤振的发生的原因中，再生效应研究最为成熟，其余原因 对切削振动的影响并不普遍，在理论研究中仅作为一个影响因素来看。由 自激振动确定的机床功率极限，基本上取决于再生效应，因此切削加工过 程再生颤振的机理研究和模型建立是最主要的研究内容。 2 2 高速切削系统颤振机理与动力学模型 2 2 1 再生颤振的产生过程 自激振动的产生通过两个过程：( 1 ) 外激振力使系统产生振动；( 2 ) 系统 的振动引起内激振力。前者与机床本身结构有关，后者则与切削过程有关。 切削加工时，由于某种外界干扰原因可能在已加工表面上残留下振纹，在 以后的加工过程中，刀具总是完全重复或部分重复地切削到前一次切削过 的表面。如图2 1 所示的那样，当刀具与工件之间产生冲击( 图2 1 a ) ，引 起刀具与工件表面的振动，使加工表面上留下振纹( 图2 1 b ) 。当此振纹经 受第二次切削时，由于切削厚度发生变化，再次引起切削力的波动( 图 2 1c ) ，又激发较强的工件与刀具之间的振动，最后直接整个加工表面都留 有振纹( 图2 1 d ) ，并使振动逐渐加强，甚至导致机床无法正常切削。这种 由再生效应产生的振动成为再生颤振。 图2 1 再生振动产生的过程 1 3 山东大学硕七学何论文 皇曼鼍曼曼皇曼曼曼曼曼! 皇曼皇曼曼曼曼皇曼皇皇曼皇曼鲁曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼鼍i i j 一一! 皇量曼曼曼量曼曼曼詈皇曼皇量曼量曼曼曼皇皇舅 由2 1 图可以看出，由于外激振力的作用，系统产生振动，在加工表 面上产生振纹，由于振纹的作用，切削面积将会改变，切削力变为一个动 态的力，系统的振动引起了内激振力。这样系统便构成了一个自振系统。 2 2 2 再生颤振的非线性分析 目前大部分的研究为了分析方便，大都将切削系统简化为一个线性系 统。实际的切削过程及机床结构组成的自激振动系统是非线性系统，切削 颤振是非线性颤振，线性理论能分析颤振产生的原因，成功解释并预测颤 振开始发生的条件，即“稳定性阈”，却无法解释并预测颤振发生以后的种 种现象，如颤振振幅稳定性的根源，稳定振幅与切削用量的关系，“跳跃 现象以及外加挠动对切削过程稳定性的影响等。切削过程颤振的非线性主 要表现在【2 4 , 2 5 】： 1 1 机床结构的非线性 传统理论中，机床的弹性恢复力用f = 缸表示，k 为假设的弹簧的刚度， x 为振动位移。实际上机床的弹性恢复力和位移不是线性关系，采用硬弹 簧特性来描述更为适合，即f = 七( x + p x 2 + 尾x 3 ) 2 ) 机床结构结合面迟滞非线性。 机床结构结合面的动态特性同时具有非线性刚度及非线性阻尼，呈现 迟滞非线性特性，迟滞非线性恢复力与工件的材料特性，相应幅值和结构 特性都有关系。 3 ) 切削力的非线性 当发生振动幅值很小的微幅振动时，动态切削力可以表示成动态切削 面积和单位面积切削力系数的乘积。实际上，当振幅较小时，切削力可认 为是线性的，但振幅较大时，切削力与切削面积不再是简单线性关系，等 效阻尼系数先升后降的特性将导致切削力的非线性效应。 4 ) 后刀面与切削表面干涉的非线性 在切削颤振条件下，刀具的实际后角是不断变化的，随着振动的加剧， 振动的幅值愈大，在一个周期内的切削后角就愈小。当振幅增大到一定值， 最小切削后角将等于零，此后，振幅再增大，最小切削后角就变成了负值， 1 4 第2 苹高速切削振动及切削稳定性研究 后刀面与加工表面产生严重干涉，表现出很大的阻尼作用，抑制振幅继续 增大而保持稳定振幅。 5 ) 刀具振动轨迹部分离开加工表面的非线性 当振幅增加到一定值时，刀具的振动轨迹在每一个振动周期内将有一 部分越出工件表面，使切削过程中瞬时切削厚度的变化复杂化，不但受前 一转振纹的影响，而且还受到前几转振纹的影响。 上述切削颤振的非线性特性，有些已得到切削实验证明【2 4 1 。可以解释 很多用线性颤振理