车削加工系统稳定性极限预测的研究

论文题目: 车削加工系统稳定性极限预测的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 王晓军

导师: 于骏一

关键词: 机床切削系统稳定性,稳定性极限预测,最小极限切削,宽度,不稳定切削转速,车削加工

文献来源: 吉林大学

发表年度: 2005

论文摘要: 机床切削系统稳定性极限预测可以帮助工程技术人员正确选择切削参数,在保证加工质量的条件下可以显著提高机床切削效率,可以充分发挥机床和刀具的切削能力。由振纹再生效应引发的再生型颤振是切削颤振的主要形式,机械加工过程中发生的颤振多数都是再生型颤振。论文从分析再生型切削颤振系统的稳定性入手,着重研究极限切削宽度blim随机床主轴转速n之间的变化规律,系统地分析了影响机床切削系统稳定性的主要因素,研究了车削加工系统极限切削宽度和不稳定切削转速区段的预测方法,并根据车削加工系统稳定性极限预测试验工况,对车削加工系统稳定性极限的最小极限切削宽度(blim)min值和不稳定切削转速区段进行了预测。为考证车削加工系统稳定性极限预测方法和预测结果的正确性,论文提出用时变切削深度和时变主轴转速两种切削试验方法对稳定性极限和不稳定切削转速区段的预测结果进行了试验考证。为提高机床切削系统稳定性极限预测考证试验的显示度,论文在机床切削系统中人为地加设了一个刚度相对较弱的主振系统（车刀刀杆）,为保证车刀刀杆的固有频率远离原机床各主要部件的固有频率并且保证其具有足够的刚性,论文运用有限元分析方法对所加设主振系统的结构参数进行了优化设计。论文成功地根据试验机床选用的SINUMERIK 840D 数控系统的特点,研究开发了一套在切削进行过程中的主轴转速实时控制系统以及主轴转速与振动响应信号的同步测量系统,时变机床主轴转速切削考证试验表明,本文所开发的上述试验系统是正确可行的。论文对机床切削试验系统所有与稳定性极限预测有关的动力学参数进行了试验识别,其中最为关键的一项工作是切削刚度系数kc的准确识别。论文首次采用在切削试验中通过在刀具进给方向上对刀架施加振动激励变稳态切削为动态切削的方法识别切削刚度系数kc值,提高了kc值的识别精度。论文首次采用时变切深试验方法测得车削加工系统稳定性极限切削宽度blim随主轴转速n变化的试验数据,对稳定性极限预测结果进行了试验考证。论文首次采用时变主轴转速切削试验方法测得车削加工系统稳定性极限切削宽度blim随主轴转速n 变化的试验数据,对稳定性极限预测结果进行了试验考证。论文通过对车削加工由稳定切削状态到不稳定切削状态转化过程加工表面轮廓的测量比较,确定了与起振点相对应的轮廓单元的平均高度Wc值,为正确确定振动加速度响应方差判别门限σy2奠定了基础。与时变切深试验方法相比,采用时变主轴转速切削试验方法探求机床切削稳定性极限切削宽度blim随主轴转速n 变化的规律,实施起来相对较为简便快捷,它在在线识别稳定切削转速范围方面有应用前景。论文试验在SB-CNC 型精密数控车床上进行。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 课题的提出

1.2 机床切削系统稳定性极限预测的研究现状

1.2.1 车削加工稳定性极限预测的研究近况

1.2.2 铣削加工稳定性极限预测的研究近况

1.2.3 孔加工稳定性极限预测研究近况

1.2.4 国内关于切削稳定性极限预测的研究情况

1.3 本文主要研究内容

第二章 再生型机床切削颤振系统稳定性极限预测

2.1 再生型机床切削颤振系统稳定性极限分析

2.1.1 再生型机床切削颤振系统动力学模型

2.1.2 机床切削系统稳定性极限分析

2.2 机床切削系统稳定性极限的预测

2.2.1 概述

2.2.2 机床切削系统稳定性极限预测

2.3 机床切削系统稳定性极限影响因素分析

2.3.1 机床主轴转速n对b_(lim)的影响

2.3.2 主振系统固有频率ω_n对blim的影响

2.3.3 重叠系数μ对b_(lim)的影响

2.3.4 切削刚度系数k_c对b_(lim)的影响

2.3.5 主振系统刚度系数k对b_(lim)的影响

2.3.6 主振系统阻尼比ζ对b_(lim)的影响

2.3.7 方向系数u对b_(lim)的影响

2.4 车削加工系统稳定性极限预测的试验考证方案

2.4.1 时变切深切削试验方案

2.4.2 时变机床主轴转速切削试验方案

2.5 小结

第三章 主振系统设计

3.1 主振系统固有频率的选择

3.1.1 试验方法与试验系统

3.1.2 试验结果

3.2 刀杆材料的选择与刀杆结构设计

3.2.1 刀杆材料的选择

3.2.2 主振车刀刀杆结构设计要求

3.2.3 车刀刀杆设计流程

3.2.4 主振车刀刀杆结构

3.3 用有限元分析方法计算刀杆固有频率

3.3.1 有限元分析前的准备工作

3.3.2 边界条件

3.3.3 分析计算结果

3.4 主振车刀刀杆静力变形校核

3.4.1 切削力估算

3.4.2 边界条件

3.4.3 网格划分和静力变形计算结果

3.5 车刀刀杆频响特性试验

3.5.1 试验方法和试验系统

3.5.2 车刀刀杆的频响特性

3.6 小结

第四章 机床主轴转速时变系统设计暨转速信号与振动响应信号的同步测量

4.1 问题的提出

4.2 时变机床主轴主轴转速的实现方法

4.2.1 SINUMERIK 840D数控系统简介

4.2.2 时变主轴转速的实现方法

4.3 时变主轴转速系统设计

4.3.1 外部计算机控制主轴转速倍率的格雷码输出

4.3.2 开关量信号的电平转换

4.3.3 PLC扩展DI模板的线路连接

4.3.4 主轴转速PLC程序编写与传输系统

4.4 时变主轴转速信号与振动响应信号的同步测量

4.4.1 主轴转速测量系统

4.4.2 主轴转速的测量计算

4.4.3 主轴转速信号与振动响应信号的同步测量

4.5 小结

第五章 车削加工系统动力学参数识别

5.1 主振系统阻尼比的识别

5.1.1 主振系统阻尼比的识别原理

5.1.2 试验方法与试验系统

5.1.3 试验数据的分析处理

5.2 主振系统静刚度的测定

5.2.1 实验方法与试验装置

5.2.2 KISTLER 测力仪的标定

5.2.3 试验数据处理结果

5.3 切削刚度系数kc的识别

5.3.1 切削刚度kc识别原理

5.3.2 用动态切削试验方法识别kfe 值

5.3.3 动态切削力相对于刀架x方向振动位移相位差φ的识别

5.3.4 由kfe 和?值计算切削刚度系数kc 值

5.4 方向系数u 的识别

5.5 小结

第六章 车削加工系统稳定性极限预测的试验考证

6.1 用时变切深切削方法对稳定性极限预测结果进行试验考证

6.1.1 试验考证方法

6.1.2 试验条件

6.1.3 试验结果分析

6.2 用时变机床主轴转速切削方法对稳定性极限预测结果进行试验考证

6.2.1 试验方法与试验条件

6.2.2 振动加速度响应方差门限值σ_y~2的确定

6.2.3 工件表面许用波纹轮廓高度的确定

6.2.4 试验结果分析

6.3 小结

第七章 全文总结

今后工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文和科研课题

摘要

ABSTRACT

致谢

发布时间: 2006-01-17

参考文献

• [1].水蒸汽作绿色冷却润滑剂的作用机理及切削试验研究[D]. 刘俊岩.哈尔滨工业大学2005
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