（化工过程机械专业论文）高速铣削稳定性预测及软件开发.pdf

“_=f臻f；k， at h e s i ss u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to nt h es t a b i l i t y p r e d i c t i o no fh i g hs p e e dm i l l i n g c a n d i d a t e ：x ux i q i n g s p e c i a l t y ： c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y s u p e r v i s o r ：p r o f t a n gw e i x i a o s h a n d o n gu n i v e r s i t y , j i n a n 只l 乙c h i n a m a y , 2 0 1 0 7刖7川川i 0舢9 舢7m 1舢y aa_飞j， 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。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：重堡堕玺日期：翅! ：塑 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、缩印或其他复制手段 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) 、 论文作者签名：邀新签名：必期：诬：功 目录 目录 摘要i a 1 3 s t r a c t i i i 论文中主要符号及意义v 第l 章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 高速铣削系统模型研究现状。2 1 2 2 高速铣削稳定性研究现状3 1 2 3 稳定性预测软件研究现状。5 1 3 课题的主要研究内容6 第2 章高速铣削系统动力学模型7 2 1 高速铣削动态铣削力模型7 2 2 考虑陀螺效应的高速铣削系统动力学模型。9 2 3 考虑工件系统的高速铣削动力学模型1 1 2 4 本章小结1 2 第3 章高速铣削稳定性预测研究1 3 3 1 高速铣削稳定性理论研究1 3 3 1 1 高速铣削系统自激振动及其稳定性1 3 3 1 2 系统频响函数及其获取方法1 4 3 1 3 稳定性极限图1 5 3 2 高速铣削稳定性预测研究1 6 3 2 1 高速铣削二维稳定性极限图获得1 7 3 2 2 高速铣削三维稳定性极限图获得2 0 3 2 3 高速铣削稳定性影响因素分析2 2 3 3 本章小结2 3 第4 章高速铣削系统动态特性及其对稳定性影响研究2 5 山东大学硕士学位论文 4 1 考虑陀螺效应的高速铣削系统动态特性及其稳定性。2 5 4 1 1 主轴刀具系统梁模型的陀螺效应分析2 5 4 1 2 陀螺效应对铣刀动态特性影响2 9 4 1 3 陀螺效应对主轴刀具系统动态特性及稳定性的影响3 2 4 2 工件系统对高速铣削系统动态特性及稳定性的影响3 5 4 2 1 工件装夹方式对系统动态特性及稳定性影响3 5 4 2 2 工件装夹预紧力对系统动态特性及稳定性的影响。3 8 4 2 3 工件加工阶段对系统动态特性及稳定性的影响4 0 4 3 本章小结。4 3 第5 章稳定性预测软件开发4 5 5 1 稳定性预测软件功能4 5 5 2 考虑陀螺效应稳定性预测模块4 6 5 2 1 二维稳定性预测模块4 7 5 2 2 三维稳定性预测模块4 9 5 3 考虑工件系统稳定性预测模块5 l 5 3 1 二维稳定性预测模块5 l 5 3 2 三维稳定性预测模块5 2 5 4 本章小结5 3 总结与展望5 5 参考文献5 7 附录a 二维稳定性预测模块部分代码6 0 附录b 三维稳定性预测模块部分代码6 3 攻读硕士学位期间发表学术论文情况6 6 致 射6 7 c o n t e n t c o n t e n t a b s t r a c ti nc h i n e s e l a b s t r a c ti ne n g l i s h i i i s y m b o l sa n dm e a n i n g v 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c ho b j e c t i v e s 1 1 2r e s e a r c hs t a t u s 2 1 2 1m i l l i n gs y s t e mm o d e l 2 1 2 2m i l l i n gs t a b i l i t yp r e d i c t i o n 3 1 2 3m i l l i n gs t a b i l i t yp r e d i c t i o ns o f t w a r e 5 1 3p r e s e n ts u b j e c ta n dm a i nc o n t e n t s 6 2d y n a m i cm o d e lo f h i g hs p e e dm i l l i n g 7 2 1c u t t i n gf o r c em o d e l 7 2 2d y n a m i cm o d e lc o n s i d e r i n gg y r o s c o p i ce f f e c t 9 2 3d y n a m i cm o d e lc o n s i d e r i n gw o r k p i e c es y s t e m 1i 2 4s u m m a r y 12 3s t a b i l i t yp r e d i c t i o ni nh i g hs p e e dm i l l i n g 13 ：；1t h e o r yo f s t a b i l i t yp r e d i c t i o n 1 3 3 1 1v i b r a t i o na n ds t a b i l i t y 1 3 3 1 2f r fa n d a c q u i s i t i o n 14 3 1 3s t a b i l i t yl o b e sd i a g r a m 15 3 2s t a b i l i t yp r e d i c t i o nm e t h o d 16 3 2 1a c q u i s i t i o no f 2 - ds t a b i l i t yl o b e sd i a g r a m 17 3 2 2a c q u i s i t i o no f 3 ds t a b i l i t yl o b e sd i a g r a m 2 0 3 2 3f a c t o r so fs t a b i l i t y 2 2 3 3s u m m a r y 2 3 4d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n di t si n f l u e n c eo ns t a b i l i t y 2 5 山东大学硕士学位论文 4 1d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cc o n s i d e r i n gg y r o s c o p i ce f f e c t 2 5 4 1 1g y r o s c o p i ce f f e c to f b e a mm o d e l 2 5 4 1 2g y r o s c o p i ce f f e c to nt o o l s 2 9 4 1 3g y r o s c o p i ce f f e c to ns p i n d l e & t o o ls y s t e m 3 2 4 2d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cc o n s i d e r i n gw o r k p i e c es y s t e m 3 5 4 2 1c l a m p i n gm e a n so fw o r k p i e c e 3 5 4 2 2c l a m p i n gp r e l o a do fw o r k p i e c e 3 8 4 2 3p r o c e s s i n gs t e p so f w o r k p i e c e 4 0 4 3s u m m a r y 4 3 5s t a b i l i t yp r e d i c t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t 4 5 5 1i n 仃o d u c t i o nt ot h es o f t w a r e 。4 5 5 2t h em o d u l ec o n s i d e r i n gg y r o s c o p i ce f f e c t 4 6 5 2 1 ：! - ds t a b i l i t yp r e d i c t i o nm o d u l e 4 7 5 2 23 ds t a b i l i t yp r e d i c t i o nm o d u l e 4 9 5 3t h em o d u l ec o n s i d e r i n gw o r k p i e c es y s t e m 51 5 3 1 ：! ds t a b i l i t yp r e d i c t i o nm o d u l e 51 5 3 2 ：；ds t a b i l i t yp r e d i c t i o nm o d u l e 5 2 5 4s u m m a r y 5 3 c o n c l u s i o n sa n dr e c o m m e n d a t i o n s 5 5 r e f b r e n c e s 5 7 a p p e n d i xa c o d e so f 2 - ds t a b i l i t yp r e d i c t i o nm o d u l e 6 0 a p p e n d i xb c o d e so f 3 一ds t a b i l i t yp r e d i c t i o nm o d u l e 6 3 p u b l i s h e ds c i e n c ep a p e r s 6 6 a c k n o w l e d g m e n t s 6 7 | i 摘要 高速铣削加工技术是先进制造技术中重要的基础技术之一，已成为2 1 世纪先 进制造技术中的重要组成部分，已经被广泛应用于航空航天、汽车、模具、能源、 等众多领域。铣削过程中的颤振是高速铣削实现高速、高效和高精度加工的关键 限制因素之一，因此高速铣削系统的稳定性预测问题是机械加工迫切需要解决的 技术难题之一。本文以高速铣削稳定性预测及颤振抑制为研究目标，借助理论分 析和有限元仿真等手段，对高速铣削过程中，主轴刀具系统陀螺效应的动态特性、 工件系统的动态特性，以及稳定性进行系统、深入地研究，并基于研究结果进行 软件开发。 基于建立的高速铣削动态铣削力模型，建立了高速铣削系统动力学模型，一 方面，针对高速铣削的特点，建立了考虑高速旋转主轴引起的陀螺效应影响的二 自由度动力学模型；另一方面，当工件刚度和刀具刚度在同一数量级时，建立了 考虑刀具和工件系统的高速铣削四自由度动力学模型。 基于所建的动力学模型，深入研究铣削稳定性的解析分析方法，采用稳定性 极限图作为对铣削稳定性分析的表示方法，并以此作为对高速切削稳定性进行预 测、评价和优化的理论依据。同时，基于二维稳定性极限图，建立三维稳定性极 限图及曲面图，通过三维稳定性图，可以直观、清晰地分析稳定性极限图坐标变 量对铣削稳定性的影响规律，并全面、准确地选择稳定铣削条件下的最优铣削参 数。 将刀具系统简化为梁模型，通过有限元方法，建立主轴刀具系统的有限元模 型，研究陀螺效应对系统动态特性及稳定性的影响规律；另外，建立工件的有限 元模型，研究不同工况对工件系统的动态特性及其对稳定性的影响。 在上述建立的的稳定性预测方法基础上，编译开发稳定性预测软件，探讨高 速切削的振动和失稳机制、特征及演变发展规律，以便于应用于实际生产中，实 现工程应用。 山东大学硕士学位论文 关键词高速铣削：稳定性预测；陀螺效应：稳定性预测软件 i l a b s t r a c t a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tb a s i ct e c h n o l o g y , h i g hs p e e dm i l l i n gh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t p a r t o ft h ea 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 yi nt h e21s tc e n t u r y , w h i c hh a sb e e nw i d e l y u s e di na e r o s p a c e ，a u t o m o t i v e ，m o l d ，e n e r g y , a n dm a n yo t h e rf i e l d s c h a t t e ri nm i l l i n g p r o c e s si st h em a i nc o n s t r a i n t so fr e a l i z i n gh i g h s p e e d ，e f f i ci e n ta n da c c u r a t ep r o c e s s i n g h i g hs p e e dm i l l i n g ，s ot h ep r o b l e mo fs t a b i l i t yp r e d i c t i o nu n d e rh i g h - s p e e dm i l l i n g m a c h i n i n gi su r g e n c y t a k i n gt h es t a b i l i t yp r e d i c t i o no fh i g h - s p e e dm i l l i n ga n dc h a t t e r a st h eb a c k g r o u n d ，t h ep r e d i c t i o no f h i g h - s p e e dm i l l i n gs t a b i l i t ya so b j e c t ，t h ed y n a m i c a n ds t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fs p i n d l ea n dt o o ls y s t e ma n dg y r o s c o p i ce f f e c ta n da l s o t h a to fw o r k p i e c ei nt h eh i g hs p e e dm i l l i n gi ss t u d i e db yt h em e t h o do ft h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，a n ds o m eo f t h er e s u l t sd e v e l o p e db yt h ef o r mo f s o f t w a r e b a s e do nt h ef o r c em o d e lo ft h ei n s t a n t a n e o u sc u r i n gf o r c e ，t h ed y n a m i cm i l l i n g m o d e li se s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gt w oa s p e c t s f i r s t ，t h ed y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e d c o n s i d e r i n gt h a tt h eg y r o s c o p i ce f f e c t so ft h eh i g hs p e e dr o t a t i n gs h a r s e c o n d ，t h e d y n a m i cm o d e li sa l s oe s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gt h a tt h es t i f f n e s so f w o r k p i e c ea n dt h a to f t h et o o li sa tt h es a m em a g n i t u d e b a s e do nt h ed y n a m i cm o d e ls e t u p ，t h em e t h o do ft h ea n a l y t i c a ls t a b i l i t ya n a l y s i s a n dt h es t a b i l i t yl i m i td i a g r a mu s e da sa r e p r e s e n t a t i o no fm i l l i n gs t a b i l i t yi sp r o p o s e d ， w h i c hi st h et h e o r e t i c a lb a s i so fp r e d i c t i o n ，e v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o n b a s e do n t w o - d i m e n s i o n a ls t a b i l i t yl i m i t d i a g r a m , t h ee s t a b l i s h m e n to ft h r e e d i m e n s i o n a l s t a b i l i t yl i m i td i a g r a mi ss t u d i e d ，b yw h i c ht h ed i r e c ta n dc l e a ra n a l y s i so fm i l l i n g p a r a m e t e r so nm i l l i n gs t a b i l i t y , c o m p r e h e n s i v e ，a n da c c u r a t e l ys e l e c t i o no ft h eo p t i m a l c u a i n gc o n d i t i o n sa n ds t a b i l i t ym i l l i n gp a r a m e t e r sc a nb em a d e b ys i m p l i f y i n gt h et o o ls y s t e mt ob e a mm o d e l ，t h en u m e r i c a lm e t h o df o rs o l v i n g i i i 山东大学硕士学位论文 d i f f e r e n t i a le q u a t i o n si sp r o p o s e d ，a n dt h eg y r o s c o p i ce f f e c to ft h et o o ls y s t e ma n di t s n a t u r a lf r e q u e n c yi sa n a l y z e d b yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h et o o la n ds p i n d l es y s t e mi s e s t a b l i s h e d ，g y r o s c o p i ce f f e c to nt h ed y n a m i c sa n d s t a b i l i t y i sa n a l y z e d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ew o r k p i e c ei se s t a b l i s h e d ， r e s p e c t i v e l y , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n di t ss t a b i l i t ya r ea l s o a n a l y z e d o nt h eb a s eo fa c h i e v e dm e t h o di nt h es t a b i l i t yl i m i td i a g r a mp r e d i c t i o n ，t h e s o f t w a r ec o m p il e rd e v e l o p m e n ti sp r o p o s e d ，w h i c hp r o b e si n t ot h et h ev i b r a t i o na n d i n s t a b i l i t ym e c h a n i s m s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n de v o l u t i o nd i s c i p l i n eo fh i g hs p e e dm i l l i n g a n dm a k ei t e a s yt oa p p l yt o a c t u a lp r o d u c t i o na n dr e a l i z a t i o no fe n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：h i g hs p e e dm i l l i n g ，s t a b i l i t yp r e d i c t i o n ，g y r o s c o p i ce f f e c t ，p r e d i c t i o n s o f t w a r e i v 固有频率，h z ； 第，阶固有频率，h z ； 每齿进给量，m m 齿； 动态铣削力，n ； 模态刚度，n m ； 模态质量，k g ： 模态阻尼，无量纲； 主轴转速，r m i r a 刀具齿数； 同时铣削的刀齿数； x 向铣削力，n ； y 向铣削力，n ： 刀具直径，m m 系统模态质量，堍； 系统模态刚度，n m ； 系统模态阻尼，n s m ； 刀具模态质量，k g ； 工件模态质量，k g ： 刀具模态阻尼，n s m ； 工件模态阻尼，n s m ； 三 铣刀长度，r n l n ； l 铣刀外伸长度，m m ； 丁周期，s ； m o 】 动态铣削力系数矩阵，无量纲； c o 角频率，r a d s ； 。 颤振频率，r a d s ； 辨 系统的第，阶模态振型，无量 纲； f阻尼比乒- 7 刍，无量纲； 、庀m 4 动态位移，l r l l t i ； 人，九 特征根； x ( f ) f 时刻刀具、工件间相对振动位 移，n u n ； 戈( f ) f 时刻刀具、工件间振动加速度， m m ： s 拉式变换因子，无量纲； g o ( i t o ) ，频响函数，d b n ： r “g “泐) r 】 频响函数实部，d b n ： l m g o ( i t o ) ， 频响函数虚部，d b n ； v 左 川 薪 坼 白 竹 z 乙 b 毋d m k c 阮 “ 山东大学硕士学位论文 m ， ，阶模态质量，k g ： ，阶模态刚度，n m ； or 阶模态阻尼，n - s m ； 刀齿振纹相位差，m m ； v i i i 课题研究的目的和意义 2 1 世纪的制造生产将日益走向全球化，国际制成品市场的竞争将愈加激烈， 由此要求制造企业必须对市场现有需求和潜在需求作出快速响应，具备性能优良、 价格低廉的产品和交货迅速的制造能力。这必将驱使制造加工技术朝着更快速、 低耗、优质和高精度的方向发展，在这一进程中，高速铣削作为机械加工业中的 综合性先进技术将发挥关键作用。 高速铣削是指线速度高于目前的常规切削五倍及至十倍以上的铣削加工，具 有高生产效率、高加工精度、高加工表面质量和低加工成本等突出优势，将是未 来制造业的主流机械加工方式和关键先进技术之一，可广泛应用于航空、航天、 模具、汽车等领域【l 。5 】，采用高速铣削是在现有高速铣削基础上进一步提高生产效 率和质量不可替代的加工方式。随着工业生产、国防、科技发展速度的日益加快， 人们对超高速切削优越性的认识越来越明确、对有效应用高速切削技术的追求也 越来越迫切。近几年高速切削己成为德、美、日等发达国家给予大投入竞相研究 的重要技术领域。由于高速超高速加工工况不断趋于极限，在高速、离心力、陀 螺效应和动态切削力等多种激励强耦合作用下切削过程的动态特性和失稳机制变 得十分复杂。如果不能准确地进行切削稳定性预测，一旦发生颤振导致不稳定切 削，不仅影响加工精度和产品质量，而且会严重降低刀具和机床寿命，大量研究 和实践使人们已有共识：颤振对超高速切削起“一票否决”的关键限制作用。因 山东大学硕十学位论文 此，研究高速铣削的非线性动力学分析及铣削稳定性预测和颤振控制理论与方法 是尽快发展应用高速切削技术亟待解决的关键科学问题之一。 稳定铣削是保证铣削加工顺利进行和获得高加工质量的前提条件和关键技术 之一。本课题针对目前现存问题，通过对适合高速铣削特点的铣削稳定性分析预 测的探讨，提出以稳定性铣削为目的的基于动力学及有限元分析理论的工程应用 方法。 1 2 国内外研究现状 1 2 i 高速铣削系统模型研究现状 高速铣削是复杂的非线性动态系统。在其广泛的工程需求增长和快速发展趋 势的促进下，高速铣削动力学研究也取得长足的进展【6 】。以实现稳定性铣削为目的 的高速铣削稳定性研究首先要建立合理的动力学模型，这是进行动力学研究的基 础和无法回避的第一步。由于对高速铣削过程的切屑形成、铣削力、铣削过程振 动机理及其稳定性等复杂影响因素，高速铣削系统的动力学建模一直是各国研究 _ 者们投入精力最多的焦点问题之一，已建立的动力学模型多种多样。但能用于高 速稳定性研究的动力学模型较少。 非线性是铣削系统的固有属性，并且由于铣削颤振的存在又强化了铣削系统 的非线性。 1 ) 线性再生颤振的研究 1 9 5 3 年，美国学者r s h a h n 提出了基于切削厚度变化的再生颤振概念，他 认为切削振动是在有波纹的表面上进行切削时由波纹再生引起的。此后，以s a t o b i a s 、j t l u s t y 和星铁太f l g ( t e t s u t a r oh o s h i ) 为代表的一大批研究者进行了大量研 究，在线性模型范围内发展了一整套较完善的理论和方法【7 1 。 对线性再生颤振的研究( 无论是在频域还是在时域内) 通常都将切削加工系统 简化为质量均匀、具有一个或两个自由度的等效振动系统【8 1 ，而将刀具作为弹性体 进行研究。由于系统的动态特性及切削稳定性受多变量的影响，线性系统的各种 简化假设往往与实际切削过程偏差较大。由于源自物理的、结构的、几何的以及 2 第1 章绪论 其它方面的非线性因素的客观存在，非线性是切削系统的固有属性，且切削颤振 的存在又强化了切削系统的非线性。 2 ) 再生颤振的非线性理论的研究始自1 9 6 3 年c j h o o k 与s a t o b i a s 等人 发现有限振幅不稳定现象后f 9 】。研究中考虑了切削过程中的非线性因素( 如刀具后 角的限制、刀具振离工件表面等) 以及机床结构的非线性因素( 如机床结构的非 线性刚度等) ，建立了t o b i a s 再生颤振非线性模型。在切削加工过程中，有三个彼 此独立变化的物理参数：切削厚度、进给量和主轴转速。 近年来，e b u d a k ，x h l o n g ，b b a l a c h a n d r a n ，m n a m a z i ，y a l t i n t a s 、v g a g n o l 等采用多种解析或试验方法建立高速切削动力学模型，分别考虑的影响变量有刀 夹主轴接触界面特性、刀具刀夹界面、主轴刀夹刀具系统、不同主轴轴承支承、 断续切削、时变延迟反馈和刀具路径等 n - l s 】。汪通悦、李沪曾等建立了薄壁零件 高速铣削的振动模型 1 9 , 2 0 。g l x i o n g 、m r m o v a h h e d y 、唐委校等建, - rt 考虑高 转速下离心力和陀螺力矩影响的高速铣削系统动力学模型及其对稳定性的影响 2 1 - 2 4 ；唐委校等基于建立的机床刀具工件夹具多自由度动力学模型，利用多自 由度系统模态正交性进行方程解耦、降阶，分析陀螺效应、高刀齿通过频率、多 模态特性、刀齿数等多变量对高速铣削稳定性的影响，并给出了是否需考虑陀螺 效应的判据和判别方法1 2 5 , 2 6 。 1 2 2 高速铣削稳定性研究现状 高速铣削过程是复杂的动态系统。在其广泛的工程需求增长和快速发展趋势 的促进下，高速铣削稳定性学研究取得了长足的进展【2 7 】。从以铣削稳定性预测和 颤振控制为目的的稳定性研究角度，可从两个层面分类：首先，据切削速度不同， 超高速铣削与普通速度铣削稳定性研究的主要区别在于：1 ) 随着速度提高，主轴 刀具高速旋转的离心力和陀螺效应及其对稳定性的影响不可忽略，系统具有了速 度依赖性；2 ) 据结构刚度不同，可分为工件刚度远大于机床刀具系统的刚性件， 和工件刚度接近或小于机床刀具系统的柔性件的加工。前者的动力学分析中一般 把工件作为刚性结构，只考虑机床刀具系统变形，其动力学建模、稳定性预测研 3 山东大学硕士学位论文 究近年来有快速进展现已相对成熟；后者，柔性件的加工必须同时考虑机床刀具 和工件的变形及其由此产生的振动耦合。而大型薄壁整体件的超高速铣削的工件 随材料快速去除，从刚性实心坯料变为薄壁柔性件，其质量和刚度是随时间( 剩 余壁厚) 变化的，是参数时变的非线性动力学系统。并且在高主轴转速下，速度 依赖的陀螺效应对系统动态特性和颤振稳定性的影响不可忽略。目前关于铣削稳 定性的许多研究，大都没有考虑高速铣削条件下陀螺效应的影响【3 1 3 5 1 。 机床的稳定性依赖于机床刀具工件结构的动态特性：固有频率、模态刚度、 阻尼、频响函数( f r f ) 和切削过程参数，判别系统稳定性所需的特征值和频响函 数( f r f ) 、动态铣削力，一般采用数值分析、模态试验或两者结合的方法获得。赵 学智等研究了适合高速铣削特点的动态实验方【2 8 】，唐委校基于实例推理构建了高 速切削稳定性数据剧2 引，可提供多种不同材料、刀具和机床的高速切削稳定性极 限预测数据，快速确定可获得无颤振最大材料切除率( m r r ) 的稳定切削参数e b u d a k 考虑了径向切深变化对稳定性的影响，提出在不同转速下综合考虑轴、径向 切深优化选择切削参数以获得无颤振最大m r r t l 2 1 ；宋清华等提出以系统的模态参 数和部分切削参数为输入条件，通过变切深铣削试验获得的响应信号判断系统稳 定性的方法【3 0 1 。 目前，对于陀螺效应的研究主要有2 种方法，一种是研究尝试在旋转主轴上 进行模态试验【3 6 1 ，在铣削加工稳定性文献中，但这样的试验是十分困难，并且结 果容易出错，还需要对每个转速进行重复试验。另一种方法就是通过有限元数值 方法来研究。t i a n l 3 7 】基于梁单元有限元模型，使用m u l l e r 优化算法来解决时滞非 线性颤振微分方程。他的研究结果表明，当考虑陀螺效应影响时，系统特征方程 的实部增加，从而导致系统的极限切深降低。郭厚煜，熊国良等【4 0 】通过建立一个 考虑陀高转速下离心力和陀螺力矩影响的高速铣削系统动力学模型，分析旋转主 轴的陀螺应对铣削系统稳定性的影响，他们的研究结果表明：虽然旋转主轴的陀 螺的效应不会改变铣削系统的不稳定区，但会明显增加其特征值的实部( 达3 0 ) ， 同时对系统的响应频率影响很大，即它将使得对稳定性的估计值偏离保守。主轴 的陀螺效应将使得固有频率响应与转速有关，而弯曲振动形式曲线也将由于陀螺 4 第1 章绪论 效应而分叉成两条( 即前向模式和后向模式) ，在这种情况下，频响函数或铣削系 统的系统矩阵必然与速度有关，因此，颤振频率和特征值的实部( 即稳定特性) 必须在某个特定转速下同时求解，虽然求解固定主轴铣削系统的特征转速下同时 求解固定主轴铣削系统的特征方程有各种方法，但这些方法对于考虑了陀螺效应 的铣削系统来说则并不有效。 1 2 3 稳定性预测软件研究现状 基于切削过程建模与仿真的研究成果，一些面向切削加工过程的动力学仿真 分析软件和切削参数数据库相继被开发出来：加拿大的c u t p r o 、美国的c u t d a t a 、 奥地利的p l a n s e e 和英国的m e t a l m a x 等。其中c u t p r o 软件可针对铣削、车削、镗 削、钻削四种加工方式提供切削力、表面形貌、振动、温度方面的仿真分析。奥 地利c e r a t i z i t 公司推出的大型工艺参数数据库仿真系统通过数据库图表形式为 用户提供工艺参数选择的依据，对铣削力、功率和加工过程颤振等问题提供选择 和判断依据。但该系统局限于对“机床刀具”系统的研究，缺乏对工件结构动力 学特性参数的考虑。上述仿真系统和切削参数数据库己在波音、g m 等大型制造企 业得到广泛应用，并己成功应用于航空、航天、汽车和模具等行业的实际切削加 工中。 国内在高速数控加工动力学建模与仿真、切削参数优化及其工程化应用等方 面尚处于起步阶段。其现状为：借鉴国外成熟理论，通过切削实验与理论建模， 对切削加工过程中的某些物理量进行分析、建模与仿真，在此基础上开发出了一 些仿真和优化系统，并在实际应用中取得了一定成效。刘强等人开发了一套基于 铣削加工的动力学仿真优化系统s i m u c u t ，该系统可对包括切削力、扭矩、功率、 动态变形量和颤振等在内的铣削加工过程物理量和物理现象进行预测，并将颤振 稳定域作为一个重要的约束条件引入到加工参数优化求解中【4 1 1 。刘战强等人研究 和开发了基于实例推理的高速切削智能数据库，可对新切削条件下的加工数据和 加工规律进行预报【4 2 1 。王太勇等人对制造系统的物理动态仿真和虚拟现实模式进 行了研究，构建了车削加工虚拟环境，建立了基于切削信息的数控铣刀、车刀磨 5 山东大学硕士学位论文 损模型和车削切屑空间运动的三维模型，并将此模型应用到仿真过程【4 3 1 。 1 3 课题的主要研究内容 本课题以高速铣削稳定性预测及颤振抑制为背景，以高速铣削系统为研究对 象，针对高速铣削过程起关键限制作用的颤振，采用非线性动力学、振动控制理 论研究系统的非线性动力学和稳定性预测理论与方法。主要研究内容有： 1 ) 研究建立高速铣削动态铣削力和动力学模型的方法。针对高速铣削的特点， 分别建立考虑陀螺效应影响和工件系统影响的动力学模型； 2 ) 研究基于稳定性极限图的稳定性预测方法。基于所建模型，研究铣削稳定 性的解析分析方法，建立二维和三维稳定性极限图； 3 ) 通过有限元方法，建立主轴刀具系统及工件系统的有限元模型，研究陀螺 效应及不同工件特性对系统动态特性及稳定性的影响； 4 ) 研究以软件形式实现稳定性极限图的稳定性预测方法，利用相关开发软件， 基于稳定性预测研究成果，编译开发稳定性预测软件，探讨高速切削的振动和失 稳机制、特征及演变发展规律，便于应用于实际生产中，实现工程应用。 论文的总体框架如图l l 所示 6 第4 章高速 铣削动态特 性及其对稳 图l 一1 研究内容总体框架 第2 章高速铣r 1 0 系统动力学模型 第2 章高速铣削系统动力学模型 在高速铣削加工过程中，由于高速超高速加工工况不断趋于极限，在高速、 离心力、陀螺效应和动态切削力等多种激励强耦合作用， i i i i i 刀具