薄壁框类工件高速铣削稳定域分析及铣削工艺参数优化

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在铣削薄壁框类零件的过程中刀具和工件之间易产生颤振,严重降低表面加工质量与切削效率。已有的薄壁件高速铣削稳定域及铣削工艺参数优化的研究,忽略刀具螺旋角和工件模态时变性对稳定域的影响,导致使用优化后的铣削参数进行加工依然发生颤振或无法实现材料去除率最大化的目标。本文建立了包含螺旋角参数的薄壁框类零件高速铣削稳定域预测模型,并在考虑工件模态参数变化的基础上完成了铣削参数优化的工作。  针对忽略圆柱铣刀螺旋角导致稳定域预测不准确的问题,建立了考虑刀具螺旋角对刀具-工件接触状态影响的薄壁件高速铣削动力学模型。为解析所建立的动力学模型以获得稳定域,本文基于平均铣削力模型采用回归分析的方法计算铣削力系数,并通过模态实验得到工件模态参数。  为研究系统参数的变化对稳定域的影响的规律,采用控制变量法研究径向铣削深度、工件固有频率、模态质量、阻尼比和前两阶模态等参数变化时lobe图的变动趋势。结果表明:径向铣削深度、工件固有频率、模态质量和阻尼比的变化均会导致颤振稳定域的偏移,由一、二阶模态参数计算得到的稳定域之间有部分区域重叠。由此得出:系统参数的变化对稳定域的影响不可忽略。  而铣削过程中工件模态参数随材料的去除不断变化。为得到不同加工阶段的铣削稳定域,以实验数据为基础,结合Ansys软件分析了以不同壁厚为标准划分的各个加工阶段下的工件的模态参数,并获得了各阶段的稳定域。  最终将材料去除率作为优化目标,以稳定域和机床许用切削功率、切削扭矩、主轴转速和避免共振带转速为约束条件进行切削参数优化。
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