基于變時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)整以及刀刃切削點位置可控的優(yōu)點，特別適于重疊率較高的復雜曲面結構件的加工制造，在葉輪機械等高附加值的復雜曲面零件制造中得到了廣泛的應用。然而在精加工中，由于加工參數(shù)選擇不當而導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挑戰(zhàn)之一。
　　 在切削過程中，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描述局部未變形切屑厚度的點為切厚控制點。系統(tǒng)動態(tài)響應在切屑前后表面任一切厚控制點形成的再生波紋效應是誘發(fā)銑削顫振的主要原因，只要切屑厚度波動性所產(chǎn)生的波動銑削力與銑削系統(tǒng)動態(tài)位移響應之間存在位相差，銑削系統(tǒng)結構就有可能從銑削力中不斷地吸取能量而擴大銑削系統(tǒng)振幅，形成顫振。因而要對顫振行為進行預報，需要明確切厚再生波紋效應的反

3、饋機制與影響規(guī)律。對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之間形成了方向非一致、間距非均一的時空映射關系，給準確建立系統(tǒng)的再生波動特性提出了挑戰(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空特性、構建三維再生波動行為的動力學反饋機制，是構建銑削動力學穩(wěn)定性參數(shù)邊界、評價已加工表面動態(tài)輪廓誤差的關鍵所在?；谏鲜鎏魬?zhàn)，本文的研究內(nèi)容主要包括:
　

4、　 一、球頭刀五軸精銑削切屑厚度與變時滯參數(shù)建模方法
　　 在利用球頭銑刀進行復雜型面五軸數(shù)控銑削的過程中，切削刃軌跡是隨時間變化的空間曲線，經(jīng)過切屑前后表面一對切厚控制點的時刻之間亦將具有隨刀刃回轉角度而變化的時間間隔（時滯時間），這使得切屑三維形狀具有顯著的時空關聯(lián)特征。在小切深、小橫向進給的精加工工況下，切屑尺寸相對較小，其形狀描述精度對切削刃軌跡細節(jié)特征的準確描述更為敏感，傳統(tǒng)的以忽視刀刃軌跡時空關聯(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引起更為顯著的原理性誤差;對于準確描述時滯時間的時變特性亦無能為力，無法用于準確定位切厚再生波紋的時空位置。針對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滯時間參數(shù)上的不足，本文基于球面銑削刃真實的三維次擺線軌跡及其五軸銑削空間幾何變換規(guī)律，描述了變時滯參數(shù)的分布規(guī)律，結合銑削區(qū)域邊界形成機理，實現(xiàn)了五軸球頭刀精銑削切屑幾何的精確表達。
　　 二、五軸銑削動力學建模與銑削表面動

6、態(tài)仿真方法
　　 基于精確的切屑厚度與變時滯參數(shù)模型，描述了切屑厚度再生波紋效應的時滯反饋機制，建立了考慮刀具柔性與工件柔性的五軸精銑削動力學模型。在變時滯參數(shù)離散插值的基礎上，實現(xiàn)了切屑厚度再生波紋效應的動態(tài)位移仿真;利用切削刃在工件已加工表面創(chuàng)成過程中歷經(jīng)的時間信息，與銑削系統(tǒng)動態(tài)位移響應的離散時間信息實現(xiàn)了關聯(lián)，建立了銑削表面的動態(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)量惡化之間的關系。針對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，通過設計連續(xù)變切深的顫振激發(fā)實驗，對銑削動力學模型及其仿真方法進行了驗證。
　　 三、基于變時滯特性的五軸精銑削動力學穩(wěn)定性預報方法
　　 在球頭刀五軸精銑削的瞬態(tài)未變形切厚模型的基礎上，推導了切屑厚度對銑削系統(tǒng)振動位移的靈敏度因子，實現(xiàn)了動態(tài)切屑厚度與動態(tài)銑削力等系統(tǒng)非線性反饋特征的線性化描述。針對傳統(tǒng)的數(shù)值積分法無法在構造系統(tǒng)周期性傳遞矩陣時處理系統(tǒng)變時滯

8、特征的問題，提出了基于變時滯參數(shù)分布規(guī)律的狀態(tài)偏移矩陣構造方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)從變時滯狀態(tài)變量集到整周期狀態(tài)變量集的狀態(tài)映射，解決了變時滯狀態(tài)變量集在周期性傳遞矩陣中的構造難題。進而應用Floquet方法，對系統(tǒng)狀態(tài)變量集在相鄰刀齒通過周期間的傳遞關系進行了穩(wěn)定性判定，并獲得了系統(tǒng)狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)運動周期解。穩(wěn)定性葉瓣曲線的驗證實驗表明，基于變時滯參數(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、面向動力學穩(wěn)定性的銑削工藝優(yōu)化方法
　　 基于前述銑削動力學模型與穩(wěn)定性判定準則，以無顫振穩(wěn)定銑削為目標，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，對球頭刀切削刃的加工區(qū)域進行遍歷，標定出銑削力相對于刀刃切削點位置以及局部切屑厚度的變化關系。由于標定過程中始終保持著恒定的小切削深度特征，避

10、免了傳統(tǒng)方法在標定過程中出現(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，應用基于區(qū)間適應度的遺傳優(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)定性判別技術相結合，建立了面向銑削穩(wěn)定性與動態(tài)形貌質(zhì)量的工藝參數(shù)優(yōu)化策略，驗證了本文提出的優(yōu)化方法在進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報與切削表面質(zhì)量控制，基于球面銑削刃真實的三維次擺線軌跡，建立了