高速銑床切削再生顫振的非線性動(dòng)力學(xué)分析.pdf

1、高檔數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)裝備和保證國(guó)防與尖端工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略物資。高檔數(shù)控機(jī)床必需具備良好的動(dòng)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(jī)床中的一種重要的切削設(shè)備,在現(xiàn)代的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)揮著重要的作用。而其在金屬切削過(guò)程中發(fā)生的再生顫振問(wèn)題更是不可忽視。 金屬切削過(guò)程中發(fā)生的再生顫振是一種典型的由于振動(dòng)位移延時(shí)反饋所導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象

2、,也是金屬切削機(jī)床發(fā)生自激振動(dòng)的主要機(jī)制之一。顫振會(huì)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(jī)床和夾具的有關(guān)部位加速磨損、松動(dòng)、喪失精度。顫振問(wèn)題成為機(jī)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(wèn)題是一個(gè)具有實(shí)際工程背景的問(wèn)題。本課題主要研究高速銑床切削再生顫振的非線性動(dòng)力學(xué)。 本文研究了高速銑床切削加工系統(tǒng)的復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)特性。首先根據(jù)高速銑床切削加工系統(tǒng)的銑削過(guò)程,主要考慮主軸

3、轉(zhuǎn)速、切削厚度變化對(duì)再生顫振的影響,同時(shí)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(dá)式。然后利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立了高速銑床切削加工系統(tǒng)的非線性時(shí)滯運(yùn)動(dòng)微分方程。接著對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行無(wú)量綱化,得到系統(tǒng)的無(wú)量綱運(yùn)動(dòng)方程,利用多尺度方法對(duì)運(yùn)動(dòng)控制方程進(jìn)行攝動(dòng)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(yùn)用Matlab軟件對(duì)平均方程進(jìn)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(yùn)動(dòng)、多倍周期運(yùn)動(dòng)和混沌運(yùn)動(dòng)。論文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾個(gè)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(dòng)力學(xué)模型,利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律,通過(guò)計(jì)算非線性切削力得到高速銑床切削加工系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。在計(jì)算切削力時(shí),本文考慮了刀具運(yùn)動(dòng)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(xiàng)對(duì)切削力的影響。然后,對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)滯微分方程進(jìn)行無(wú)量綱化,得

5、出系統(tǒng)的無(wú)量綱運(yùn)動(dòng)方程。 其次,針對(duì)所得到的高速銑床切削加工系統(tǒng)的無(wú)量綱運(yùn)動(dòng)方程,利用一階多尺度方法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行攝動(dòng)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(yùn)用Matlab軟件對(duì)高速銑床切削加工系統(tǒng)的平均方程進(jìn)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(yùn)動(dòng)、2倍周期運(yùn)動(dòng)、3倍周期運(yùn)動(dòng)、多倍周期運(yùn)動(dòng)和混沌運(yùn)動(dòng)。 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(dòng)力

6、學(xué),利用一階多尺度方法對(duì)無(wú)量綱運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行攝動(dòng)分析,得到了系統(tǒng)的平均方程。運(yùn)用Matlab軟件對(duì)高速銑床切削加工系統(tǒng)的平均方程進(jìn)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(yùn)動(dòng)、2倍周期運(yùn)動(dòng)、3倍周期運(yùn)動(dòng)、多倍周期運(yùn)動(dòng)和混沌運(yùn)動(dòng)。最后,研究時(shí)滯因素對(duì)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(yùn)用Matlab軟件調(diào)節(jié)時(shí)滯參數(shù)τ1和τ2,將系統(tǒng)在上述兩種共振關(guān)系