高速面铣刀切削稳定性及其结构化设计方法研究

论文摘要

高速面铣刀是一种典型的高速切削刀具,在航空航天产品大型铝合金整体构件高效、高精度加工中得到广泛应用。高速切削稳定性和设计协同性是高速面铣刀产品开发与应用中亟待解决的关键问题。目前,有关高速面铣刀切削稳定性及其设计理论和设计方法的研究较少,使得高速面铣刀高效切削加工的技术优势未能得到充分发挥。本文在高速切削理论和相关研究成果基础上,以实现高速面铣刀安全、稳定、高效切削和协同优化设计为目的,采用灰色系统理论、切削振动学理论、切削动力学理论、公理设计理论和最优化设计方法,进行高速面铣刀切削稳定性及其结构化设计方法研究:针对小样本、贫信息导致高速铣削安全稳定性影响因素和评价指标不确定性问题,建立了考虑共振失效影响的高速面铣刀安全性判据,提出高速铣削安全稳定切削条件,并采用有限元分析方法和彭桓武判别法,实现了铣刀安全稳定切削预报;运用灰色系统理论,通过铣刀安全稳定性绝对关联度分析,获得了铣刀结构参数及其交互作用对高速铣削安全稳定性影响规律;通过铣刀空转实验和高速铣削实验,结合单位切削力实验结果灰色相对关联度分析,验证了高速铣刀安全稳定切削判据的可靠性和有效性。依据高速面铣刀动态切削模型和动力学方程,建立离心力和动态切削力振动模型,获得了铣刀结构参数对高速铣削稳定性影响规律;针对高速切削工艺系统存在动力学特性建模、检测和评价困难等问题,建立了动态切削力频谱模型和高速铣削稳定性评价模型,结合动态切削力实验,从高速铣削振动能量分布变化规律分析入手,揭示出齿数和刀齿分布对铣刀减振的作用机理,提出了具有较强通用性的高速面铣刀减振方法。在铣刀最高切削温度和工件最大传热比分析基础上,建立了高速铣刀切削速度求解模型;依据每转进给量影响加工表面粗糙度的判定条件,建立了基于切削振动和轴向误差影响的加工表面最大残留高度模型;结合高速铣削铝合金加工表面粗糙度实验,建立铣刀高效稳定切削行为特征实验模型,通过灰色综合关联度分析,验证了最大残留高度模型实用性,并获得高速面铣刀对高效切削稳定性影响规律。在高速面铣刀公理设计中引入灰色系统理论,进行铣刀结构化设计方法研究。采用灰色聚类分析方法解决铣刀结构参数交互作用和功能耦合问题,实现了铣刀设计矩阵重构和协同设计规划;将上述方法延伸发展至铣刀底层功能优化设计上,建立了刀齿分布优化设计模型,给出基于特征匹配和切削速度预报的铣刀片优选方法;针对特征变量不确定性问题,采用灰色关联分析方法识别和提取优化变量,建立了铣刀动平衡精度优化设计模型。结果表明,铣刀结构化设计没有出现刀具开发中经常出现的设计回路,设计协同性显著提高,底层功能优化设计过程得到简化。基于实验的高速铣削性能模糊物元评判结果证实,采用结构化设计方法开发的高速面铣刀有效抑制了切削振动,具有较高的安全性和高效切削稳定性,切削性能满足高速铣削要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外相关研究状况
• 1.2.1 高速切削技术发展与应用
• 1.2.2 高速切削机理研究状况
• 1.2.3 高速切削稳定性研究状况
• 1.2.4 高速铣刀设计技术研究状况
• 1.2.5 公理设计理论与不确定性系统研究方法
• 1.3 课题来源及论文研究内容
• 第2章 高速面铣刀安全稳定切削灰色关联分析
• 2.1 高速面铣刀安全性判据
• 2.1.1 高速面铣刀可靠性分析
• 2.1.2 高速面铣刀载荷分析
• 2.1.3 高速面铣刀失效判据
• 2.2 高速面铣刀安全性预报
• 2.2.1 高速面铣刀建模
• 2.2.2 高速面铣刀应力场分析
• 2.2.3 高速面铣刀模态分析
• 2.2.4 高速面铣刀失效转速预报
• 2.2.5 高速面铣刀安全稳定切削判定
• 2.3 高速面铣刀安全性分析
• 2.3.1 材料属性对铣刀安全性影响
• 2.3.2 主偏角对铣刀安全性影响
• 2.3.3 直径和齿数对铣刀安全性影响
• 2.3.4 刀齿分布对铣刀安全性影响
• 2.4 高速面铣刀安全稳定性灰色绝对关联度分析
• 2.4.1 铣刀安全稳定切削指标与相关因素行为序列
• 2.4.2 铣刀安全稳定切削关联矩阵
• 2.4.3 铣刀高速切削安全稳定性关联分析
• 2.5 高速面铣刀安全稳定切削实验
• 2.5.1 实验目的与实验刀具制备
• 2.5.2 实验方法与实验条件
• 2.5.3 实验结果
• 2.5.4 铣刀安全稳定性灰色相对关联度分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 高速面铣刀减振机理研究
• 3.1 高速面刀动态切削力模型
• 3.1.1 单齿动态切削力模型
• 3.1.2 多齿动态切削力模型
• 3.2 高速面铣刀切削振动模型
• 3.2.1 高速面铣刀动态切削模型
• 3.2.2 高速面铣刀离心力振动模型
• 3.2.3 高速面铣刀切削力振动模型
• 3.3 高速面铣刀切削振动影响因素分析
• 3.3.1 动平衡精度对铣刀切削振动影响
• 3.3.2 铣刀结构与切削参数对切削振动影响
• 3.4 高速面刀动态切削力频谱模型的建立
• 3.4.1 刀齿均匀分布的动态切削力频谱模型
• 3.4.2 刀齿不均匀分布的动态切削力频谱模型
• 3.4.3 待定常数计算
• 3.4.4 高速面铣刀切削稳定性评价模型
• 3.5 高速面刀动态切削力频谱分析
• 3.5.1 均齿铣刀动态切削力频谱分析
• 3.5.2 接触比对动态切削力频谱影响
• 3.5.3 刀齿分布对动态切削力频谱影响
• 3.6 高速铣削铝合金实验及其动态切削力频谱分析
• 3.6.1 实验目的与实验方案
• 3.6.2 刀齿均匀分布铣刀动态切削力实验结果
• 3.6.3 刀齿不均匀分布铣刀动态切削力实验结果
• 3.7 本章小结
• 第4章 高速面铣刀高效切削稳定性研究
• 4.1 高速铣刀切削速度研究
• 4.1.1 高速铣削加工切削热分析
• 4.1.2 高速铣刀最高切削温度求解
• 4.1.3 高速铣削加工切削热与切削温度估计
• 4.1.4 高速铣刀切削速度求解模型
• 4.2 高速面铣刀加工表面粗糙度研究
• 4.2.1 刀齿分布对铣刀加工表面残留高度影响
• 4.2.2 每转进给量对铣刀加工表面残留高度影响
• 4.2.3 切削振动对高速面铣刀加工表面粗糙度影响
• 4.3 高速面铣刀加工铝合金表面粗糙度实验
• 4.3.1 铣刀制备与实验方案
• 4.3.2 高速铣削铝合金加工表面粗糙度实验结果
• 4.4 高速面铣刀高效切削铝合金稳定性关联分析
• 4.4.1 铣刀高效切削稳定性特征与相关因素行为序列
• 4.4.2 高速铣削铝合金绝对关联度
• 4.4.3 高速铣削铝合金相对关联度
• 4.4.4 高速面铣刀灰色综合关联度分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于公理设计的高速面铣刀结构化设计
• 5.1 高速面铣刀功能分解及其交互作用分析
• 5.1.1 基于公理设计的高速面铣刀功能分解
• 5.1.2 高速面铣刀安全性功能分解
• 5.1.3 高速面铣刀切削稳定性功能分解
• 5.1.4 高速面铣刀高效切削性功能分解
• 5.1.5 高速面铣刀公理设计中的交互作用分析
• 5.2 基于公理设计的高速面铣刀功能规划
• 5.2.1 高速面铣刀初始设计矩阵建立
• 5.2.2 高速面铣刀设计矩阵重构
• 5.2.3 高速面铣刀功能耦合度算法与功能规划
• 5.3 高速面铣刀优化设计方法研究
• 5.3.1 基于公理设计的高速面铣刀优化方法
• 5.3.2 高速面铣刀刀齿分布优化设计
• 5.3.3 高速面铣刀可转位铣刀片优选
• 5.4 高速面铣刀动平衡设计与实验
• 5.4.1 高速面铣刀结构设计动平衡精度分析
• 5.4.2 基于灰色关联分析的高速面铣刀动平衡设计
• 5.4.3 高速面铣刀动平衡实验
• 5.5 高速面铣刀切削铝合金实验
• 5.5.1 实验方案设计
• 5.5.2 实验结果
• 5.5.3 高速面铣刀切削性能复合模糊物元评判
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢