基于铣削颤振抑制机理的减振铣刀动态特性研究

作     者：李伟家 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈春根

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：铣刀 颤振 阻尼动力减振 切削力 振动分析 表面振纹 

摘      要：铣削加工是机械制造技术的重要组成部分之一,已广泛应用于航空航天、医疗、汽车及军事等领域。随着现代加工技术的不断发展,对金属去除率、加工效率、加工精度和加工表面质量提出了更高的要求,尤其在对深腔薄壁复杂零件进行铣削加工时,其加工过程中的颤振问题已成为了制约其发展的重要因素。本文基于铣削颤振抑制机理中的阻尼和动力减振技术,设计了大长径比、大悬伸阻尼动力减振铣刀,通过理论模型研究、仿真分析和实验验证等方法,从机床-刀具-工件系统的颤振稳定性、切削力、振动信号和表面形貌等角度来验证减振铣刀的抗振效果。本文的主要研究内容如下:(1)基于阻尼和动力减振理论建立了阻尼动力减振铣刀的二自由度动力学模型,并推导了理论模型中的最优频率比和最佳阻尼比。根据理论模型对阻尼动力减振铣刀的内部结构进行了设计,通过模态仿真得到了普通实心铣刀、空心刀杆铣刀和阻尼动力减振铣刀的前6阶模态振型及相对应的固有频率。分别对普通实心铣刀、空心刀杆铣刀和阻尼动力减振铣刀进行了多柔体动力学仿真,分析结果表明:阻尼动力减振铣刀的共振幅值相比于普通实心铣刀和空心刀杆铣刀分别下降了约58.4%和51.2%。进一步探究了阻尼动力减振铣刀内部结构对减振效果的影响程度及其变化规律。(2)通过对多种不同阻尼液运动粘度的减振铣刀、空心刀杆铣刀和普通实心铣刀进行试验模态测试,得到了机床-刀具系统共振下的模态参数和频率响应曲线,与模态仿真获得的数据相比,固有频率的最大误差为2.6%。同时研究结果表明:在相同铣削工况下,阻尼液运动粘度为10万厘斯的减振铣刀具有最小的共振幅值和最佳的减振性能。(3)对普通实心铣刀和阻尼动力减振铣刀进行了颤振稳定性仿真和分析,研究结果表明:阻尼动力减振铣刀的稳定性曲线相较于普通铣刀的稳定性曲线,其轴向极限切削深度提高了约66.7%,且整个稳定切削的区域也大幅增加了,高速铣削工况的极限切削深度也有明显的增大。(4)通过对不同材料零件进行铣削对比实验,从切削力、振动和表面形貌三个角度进行分析,研究结果表明:阻尼动力减振铣刀在铣削过程中的各向切削分力及切削合力均小于普通铣刀。阻尼动力减振铣刀在加工AISI P20模具钢时的时域加速度峰值相较于普通铣刀下降了约42.3%。从频域进一步分析可知,在颤振频率处,阻尼动力减振铣刀的振动幅值相比于普通铣刀降低了约35.3%。阻尼动力减振铣刀加工零件表面的振纹相比于普通铣刀均有一定的改善,说明阻尼动力减振铣刀具有良好的颤振抑制效果,进一步表明本文构建的阻尼动力减振铣刀理论模型准确,设计的减振铣刀结构合理,具有良好的工程应用价值。