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A New Dynamics Analysis Model for Five-Axis Machining of Curved Surface Based on Dimension Reduction and Mapping

Chinese Journal of Mechanical Engineering 2023年第6期36卷 172-184页

作者： Minglong Guo zhaocheng wei Minjie Wang Zhiwei Zhao Shengxian Liu Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education Dalian University of TechnologyDalian 116024People’s Republic of China Institute of Mechanical Manufacturing Technology China Academy of Engineering PhysicsMianyang 621000China

The equipment used in various fields contains an increasing number of parts with curved surfaces of increasing ***-axis computer numerical control(CNC)milling is the main parts machining method,while dynamics analysis has always been a research *** cutting conditions determined by the cutter axis,tool path,and workpiece geometry are complex and changeable,which has made dynamics research a major *** this reason,this paper introduces the innovative idea of applying dimension reduction and mapping to the five-axis machining of curved surfaces,and proposes an efficient dynamics analysis *** simplify the research object,the cutter position points along the tool path were discretized into inclined plane five-axis *** cutter dip angle and feed deflection angle were used to define the spatial position relationship in five-axis *** were then taken as the new base variables to construct an abstract two-dimensional space and establish the mapping relationship between the cutter position point and space point sets to further simplify the dimensions of the research *** on the in-cut cutting edge solved by the space limitation method,the dynamics of the inclined plane five-axis machining unit were studied,and the results were uniformly stored in the abstract space to produce a ***,the prediction of the milling force and vibration state along the tool path became a data extraction process that significantly improved *** experiments were also conducted which proved the accuracy and efficiency of the proposed dynamics analysis *** study has great potential for the online synchronization of intelligent machining of large surfaces.

关键词： Curved surface Five-axis machining Dimension reduction and mapping Milling force Dynamics

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Postprocessor development for ultrasonic cutting of honeycomb core curved surface with a straight blade

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Frontiers of Mechanical Engineering 2023年第1期18卷 147-162页

作者： Heng LUO Zhigang DONG Renke KANG Yidan WANG Jiansong SUN zhaocheng wei Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education Dalian University of TechnologyDalian 116024China

When ultrasonically cutting honeycomb core curved parts,the tool face of the straight blade must be along the curved surface’s tangent direction at all times to ensure high-quality machining of the curved ***,given that the straight blade is a nonstandard tool,the existing computer-aided manufacturing technology cannot directly realize the above action *** solve this problem,this paper proposed an algorithm for extracting a straight blade real-time tool face vector from a 5-axis milling automatically programmed tool location file,which can realize the tool location point and tool axis vector conversion from the flat end mill to the straight *** the same time,for the multi-solution problem of the rotation axis,the dependent axis rotation minimization algorithm was introduced,and the spindle rotation algorithm was proposed for the tool edge orientation problem when the straight blade is used to machine the curved ***,on the basis of the MATLAB platform,the dependent axis rotation minimization algorithm and spindle rotation algorithm were integrated and compiled,and the straight blade ultrasonic cutting honeycomb core postprocessor was then *** model of the machine tool and the definition of the straight blade were conducted in the VERICUT simulation software,and the simulation machining of the equivalent entity of the honeycomb core can then be *** correctness of the numerical control program generated by the postprocessor was verified by machining and accuracy testing of the two designed *** and analysis of the simulation and experiment indicate that the tool pose is the same under each working condition,and the workpieces obtained by machining also meet the corresponding accuracy ***,the postprocessor developed in this paper can be well adapted to the honeycomb core ultrasonic cutting machine tool and realize high-quality and high-efficient machining of honeycomb core composi

关键词： honeycomb core straight blade ultrasonic cutting tool pose postprocessor

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考虑模态耦合的球头铣刀颤振稳定域建模方法

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振动．测试与诊断 2019年第3期39卷 525-530,669页

作者：代月帮李宏坤魏兆成大连理工大学机械工程学院

球头铣刀广泛应用于曲面加工中,因此构造出针对球头铣刀的颤振稳定域叶瓣图意义重大。利用精细积分法对铣削系统二阶动力学方程进行时域数值求解,由切削刃与切触区域不同时刻的关系,确定出时域数值求解方程中所需要的刀刃瞬时切削部位,... 详细信息

球头铣刀广泛应用于曲面加工中,因此构造出针对球头铣刀的颤振稳定域叶瓣图意义重大。利用精细积分法对铣削系统二阶动力学方程进行时域数值求解,由切削刃与切触区域不同时刻的关系,确定出时域数值求解方程中所需要的刀刃瞬时切削部位,通过Floquet定理获得了高精度的颤振稳定域叶瓣图,并在三轴数控机床上进行了正确性试验验证。试验结果与预测结果相一致,表明所提供的方法能够为球头铣刀实现无颤振切削加工提供有力的技术支撑。

关键词：精细积分模态耦合颤振球头铣刀稳定域叶瓣图

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基于结晶收缩特性的连铸矩形坯成形曲线研究

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机械工程学报 2022年第21期58卷 285-296页

作者：张天泽魏兆成王敏杰大连理工大学机械工程学院大连116024

针对传统连铸结晶器效率低、拉坯速度慢、铸坯表面及形状缺陷等问题,设计并加工了一种高效、高速、高质(Efficient,speedy and quality,ESQ)连铸结晶器内腔形线。基于矩形坯结晶器内传热和结晶收缩行为特性,推导并建立了结晶器铜管内腔... 详细信息

针对传统连铸结晶器效率低、拉坯速度慢、铸坯表面及形状缺陷等问题,设计并加工了一种高效、高速、高质(Efficient,speedy and quality,ESQ)连铸结晶器内腔形线。基于矩形坯结晶器内传热和结晶收缩行为特性,推导并建立了结晶器铜管内腔形线几何模型,运算得到形线曲线表达式和锥度表达式。根据连铸坯热交换收缩组成模型,针对高碳钢材料大矩形坯规格修正原模型及表达式,将优化结果与钢厂传统形线对比分析。依托Matlab/GUI二次开发了结晶器形线尺寸输出系统,为现有钢厂设计并加工了230 mm×170 mm断面U71Mn钢种结晶器芯棒和铜管,保持其他连铸条件基本不变,使现有连铸机拉坯速度从1.1 m/min提高至1.6~1.7 m/min。结果表明,得到的连铸坯产品表面质量与原产品相近,且并无形状缺陷,验证了模型计算的合理性和正确性。相比于传统连铸结晶器内腔形线,新形线曲线提高了结晶器的换热效率,且保证了铸坯质量,这为增加连铸坯产量提供了基础。

关键词：连铸结晶器矩形坯形线结晶收缩 U71Mn高碳钢

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切削过程绝热剪切带的滑移线场研究

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机械工程学报 2022年第7期58卷 284-294页

作者：王敏杰王阳魏兆成段春争大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连116024

根据滑移线场理论,对于切削过程绝热剪切带内的塑性变形,提出了一种四边界五区域滑移线场模型,并给出了相应的速矢图。定义了包括刀屑摩擦接触边界、刚塑性边界、准刚塑性边界和准自由边界的绝热剪切带滑移线场边界。根据不同的应力边... 详细信息

根据滑移线场理论,对于切削过程绝热剪切带内的塑性变形,提出了一种四边界五区域滑移线场模型,并给出了相应的速矢图。定义了包括刀屑摩擦接触边界、刚塑性边界、准刚塑性边界和准自由边界的绝热剪切带滑移线场边界。根据不同的应力边界条件、绝热剪切带内滑移线场应力变化趋势和滑移线场几何形状分析,将绝热剪切带滑移线场划分为五个区域。采用矩阵算子法确定了滑移线场模型的几何参量,给出了求解绝热剪切带内应力分布的方法。采用提出的绝热剪切带滑移线场模型,对于正交切削FV520(B)不锈钢材料,分析计算了由于绝热剪切引起的导裂角随刀具前角和切削速度的变化规律。通过已加工表面几何形貌实验观察,印证了导裂角与已加工表面质量的相关性。

关键词：切削过程绝热剪切带滑移线场导裂角已加工表面质量

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基于接触区域的球头铣刀颤振稳定域预报方法研究

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机械工程学报 2019年第1期55卷 52-61页

作者：代月帮魏兆成李宏坤张孟哲大连理工大学机械工程学院大连116024

运用半解析法精准搭建出球头铣刀与工件接触区域边界的投影方程,对铣削系统时滞动力学方程进行全离散时域数值求解,在单齿周期内球头铣刀视为圆弧切削的基础上,通过接触区域投影和切削刃投影不同时刻的关系,确定出数值求解方程中所需要... 详细信息

运用半解析法精准搭建出球头铣刀与工件接触区域边界的投影方程,对铣削系统时滞动力学方程进行全离散时域数值求解,在单齿周期内球头铣刀视为圆弧切削的基础上,通过接触区域投影和切削刃投影不同时刻的关系,确定出数值求解方程中所需要的瞬时参与切削刀刃的实际切削部位,利用Floquet定理获得了不同转速下的临界切削深度,构建出了高精度的球头铣刀颤振稳定域叶瓣图,并在三轴数控机床上进行了试验验证,试验结果与预测结果相符合,表明了该方法的正确性。同时,与传统方法相比,这里所提供的方法拥有较高的预测精度,最后分析了不同参数对颤振稳定域的影响规律,为叶瓣图指导实际加工奠定了基础。

关键词：颤振球头铣刀接触区域稳定域叶瓣图

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球头铣刀三维曲面加工的铣削力预报

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机械工程学报 2013年第1期49卷 178-184页

作者：魏兆成王敏杰蔡玉俊王亮大连理工大学模塑制品教育部工程研究中心大连116024 天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室天津300222

针对球头铣刀三维曲面加工,提出一种考虑进给方向和刀具切触界面任意变化的铣削力预报方法。基于微分的思想,将曲面加工中单个齿频周期内的切削过程看成是切削条件恒定的微小稳态加工,进而将整个三维曲面加工视为一系列微小稳态加工的... 详细信息

针对球头铣刀三维曲面加工,提出一种考虑进给方向和刀具切触界面任意变化的铣削力预报方法。基于微分的思想,将曲面加工中单个齿频周期内的切削过程看成是切削条件恒定的微小稳态加工,进而将整个三维曲面加工视为一系列微小稳态加工的组合。根据各微小稳态加工的始、末刀位点坐标,建立进给转向角和进给倾斜角模型,刀具切触界面应用基于逻辑数组的Zmap方法确定,并修改了未变形切屑厚度模型的参数,使其适应三维曲面加工中刀具切触界面和进给方向的任意变化。分别进行凸圆弧曲面、凹圆弧曲面和自由曲面三个铣削加工试验,数值计算及试验测量结果表明,提出的方法能够很好地描述曲面加工中进给方向及刀具切触界面的变化,预报的铣削力和试验测量结果在幅值和变化趋势上都吻合良好,从而验证了该铣削力预报方法的有效性。

关键词：铣削力进给方向刀具切触界面切屑厚度

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整体叶轮双列开槽五轴插铣加工的残留材料建模

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机械工程学报 2024年第19期60卷 310-317页

作者：王晓宇魏兆成王学勤王栋大连理工大学机械工程学院大连116033

双列开槽五轴插铣工艺能够以最少数量刀具轨迹,高效率完成整体叶轮流道加工,但针对叶片侧倾过大的叶轮流道,双列开槽插铣后残留材料较多。由于缺乏精确表达该残留材料的计算模型,导致后续针对残留材料的去除加工轨迹难以规划,影响加工... 详细信息

双列开槽五轴插铣工艺能够以最少数量刀具轨迹,高效率完成整体叶轮流道加工,但针对叶片侧倾过大的叶轮流道,双列开槽插铣后残留材料较多。由于缺乏精确表达该残留材料的计算模型,导致后续针对残留材料的去除加工轨迹难以规划,影响加工效率。针对该问题,在双列开槽五轴插铣工艺基础上,提出一种残留材料几何建模方法。基于双列开槽插铣加工刀轨参数,将残留材料台阶面简化为由直纹面叶片法矢构成的理想曲面,以理想曲面与后序刀矢路径相交的几何关系获取残留材料几何模型边界曲线。将边界曲线以一定数量离散,构建离散单元直纹面,形成残留材料包络体模型,从而完成对残留材料的几何建模。仿真分析了几何建模的精度,结果表明该模型描述复杂残留材料几何特征的平均误差在8%左右,可为叶轮残留材料去除加工的CAM算法研究提供参考。

关键词：双列开槽插铣五轴加工几何建模包络体模型材料残留脊

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基于占能比的铣削加工颤振在线监测研究

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振动．测试与诊断 2018年第5期38卷 979-984,1082页

作者：李宏坤周帅魏兆成赵明代月帮大连理工大学机械学院大连116024 沈阳黎明航空发动机有限责任公司技术中心工艺研究室沈阳110043

薄壁件的精加工阶段,由于刀具悬伸长,工件刚度低,加工中容易发生变形进而引起颤振。因此需要可靠的标准监测加工状态,判断加工参数是否合理。首先,采集加工中包含颤振现象的声压数据,分析颤振发生时域有效值及频域功率谱的特点,对比在... 详细信息

薄壁件的精加工阶段,由于刀具悬伸长,工件刚度低,加工中容易发生变形进而引起颤振。因此需要可靠的标准监测加工状态,判断加工参数是否合理。首先,采集加工中包含颤振现象的声压数据,分析颤振发生时域有效值及频域功率谱的特点,对比在不同状态的特征,并以这些特征作为监测的依据;然后,在颤振发生时能量集中频段转移,通过小波包分解后构造出反映这一特征的特征量;最后,以小波变换时频图作为状态判断依据,通过离线分析设定相关阈值,设置多重标准,满足时域有效值和频域占能比阈值要求后计算特征值,判断加工状态。验证结果表明,笔者所提出的方法可以准确识别颤振现象,同时表明声压信号可以反映颤振特征。阈值设定后,即可为后续加工在线监测提供判断标准,避免因加工参数选择不合理时对工件或机床造成损害。

关键词：颤振声压占能比在线监测小波

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整体叶轮圆角立铣刀五轴U摆线剥铣轨迹规划

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机械工程学报 2024年第7期60卷 212-223页

作者：李佳男魏兆成冯景洋王学勤大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室大连116024

摆线剥铣工艺具有加工效率高、切削力小、刀具耐用度高的优点,然而由于缺乏五轴剥铣加工的轨迹规划方法,导致高效剥铣技术难以应用于整体叶轮加工。针对该问题提出一种整体叶轮圆角立铣刀五轴U摆线剥铣的轨迹规划方法。安排系列切削力实... 详细信息

摆线剥铣工艺具有加工效率高、切削力小、刀具耐用度高的优点,然而由于缺乏五轴剥铣加工的轨迹规划方法,导致高效剥铣技术难以应用于整体叶轮加工。针对该问题提出一种整体叶轮圆角立铣刀五轴U摆线剥铣的轨迹规划方法。安排系列切削力实验,验证圆角立铣刀U摆线剥铣相较于现有球头立铣刀U摆线剥铣的加工优势。在此基础上建立叶轮模型降维映射关系,将三维叶根曲线映射到二维平面上,作为边界规划降维刀触点,基于刀触点与流道两侧叶片的比例关系计算刀轴矢量和刀位点,实现圆角立铣刀五轴U摆线剥铣轨迹初步规划。计算叶根过渡面上点到刀具特征面的距离,建立圆角立铣刀与叶根过渡面的干涉判据模型。使用投影法将干涉的叶根过渡面点集向刀轴矢量投影,计算刀具的最大轴向干涉量,从而优化刀位点排除叶根过渡面干涉。最后应用叶轮加工仿真验证五轴U摆线轨迹方法的有效性,结果表明五轴U摆线轨迹能够顺利实现整体叶轮圆角立铣刀剥铣加工,加工过程中无过切干涉,残留材料均匀,可为叶轮后续加工提供良好的基础。

关键词：摆线加工剥铣刀具轨迹叶根干涉

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