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1、沈阳理工大学 硕士学位论文 正交车铣加工典型工件的动力学研究 姓名：黄巍 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：姜增辉 20090301 摘 要 细长杆轴类零件对径向尺寸和形状精度及表面粗糙度的要求很高，但由于其 径向刚度较低，加工过程中容易产生横向振动、生产效率较低，故其加工一直是 机械加工中的难点之一。如果应用车铣技术特别是高速车铣技术进行加工，这些 问题就可以得到很好的解决。 自激振动是车铣切削振动中最重要的因素之一，由它组成切削过程的反馈系 统对工件的表面质量起着决定性的作用，目前对于车铣自激振动的研究较少，本 文重点分析此类振动，并以细长杆工件作为研究对象进行模拟分
2、析。 本文应用金属切削动力学理论对车铣加工与车削加工相比在动力学方面的优 势进行了研究；着重分析了正交车铣加工自激振动的切入效应以及切厚效应等问 题；建立了正交车铣过程中包括切厚效应与切入效应共同作用下的力学模型和横 向振动的数学模型；建立了正交车铣切削参数的稳定性极限理论计算模型；根据 金属切削动力学中重叠系数的定义以及正交车铣的运动学原理，建立了再生颤振 重叠系数公式并对其进行了模拟分析；分析了车铣切削振动的闭环特性；根据弹 性体动力学理论以及由前面分析所建立的车铣切削动力学理论，建立了正交车铣 细长杆工件切削的开环及闭环动力学模型；利用MATLAB软件对正交车铣加工细 长杆工件的动力学模
3、型进行了仿真得出：为了减小正交车铣切削振动对工件质量 的影响，要综合考虑稳态与动态切削力两个方面，确定一组比较合理的切削参数。 关键词：正交车铣；切削颤振；细长杆；振动仿真 Abstract Slender rod has a high requirement on the size and shape of the radial accuracy and surface roughness，but because of its low radial stiffness,the processing is easy to bring about radial vibration,and for
4、 its low productivity,its processing is one of the difficulties of machining.If use the orthogonal turn-milling technology,especially high-speed turn-milling processing technology,these issues can be resolved. Self-excited vibration is one imporant factors of vibration in turn-milling.The feedback s
5、ystem which composed of it play a decisive role on the quality of the workpieces surface.As yet,the study of self-excited vibration in turn-milling is nothing much.This paper analyses such vibration,and with thin rod workpiece as research object simulated and analyzed. Based on the theory of metal-c
6、utting dynamics,the dynamic advantage of turn-milling compared with turnning has been analyzed;the self-excited vibration of orthogonal turn-milling in the respects of cutting thickness effcet and cutting into effect has been analyzed emphatically;mechanical model and mathematical model of radial ac
7、curacy effected by cutting thickness effcet and cutting into effect in orthogonal turn-milling has been established;the theoretical formula of stability limit of cutting parameters in orthogonal turn-milling has been established;according to the defintion of overlapping coefficients of metal cutting
8、 and the principle of the kinematic of orthogonal turn-milling,the overlapping coefficients mathematical model has been established and the simulation of it has been analyzed;the closed-loop characteristics of the vibration of turn-milling has been analyzed;according to the theory of elastic dynamic
9、s and the established dynamics of turn-milling,the open-loop and closed-loop dynamics theory of slender rod machining by orthogonal turn-milling has been establish;used MATLAB software simulated and analyzed of the dynamics model of slender rod machining by orthogonal turn-milling,and arrived at a c
10、onclution: in order 沈阳理工大学硕士学位论文 2 to reduce the effect of the workpiece quality which caused by cutting vibration,it should be comprehensive considerate of the stationarity and dynamic cutting force,and detemine a set of reasonable cutting parameters. Keywords： Orthogonal turn-milling； Cutting chat
11、ter； Slender rod； Vibration simulation 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字）： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有
12、权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的目的及意义 车铣加工技术是二十世纪八十年代初发展起来的一种机械加工方法，它不是 单纯的将车和铣两种加工手段合并到一台机床上，而是利用车铣合成运动完成表 面加工，使工件在形状精度、位置精度、表面粗糙度及残余应力等多方面达到使 用要求的一
13、种先进切削加工方法。1982 年，奥地利林茨机床公司（WFL）开发出 了全世界第一台车铣专用数控机床-WNC500S 车铣加工中心（即后来的 M55 车 铣加工中心） ，首次实现了在一台机床上进行四轴车加工和五轴铣加工的成套加 工。由于计算机和数控机床技术飞速发展，使得多轴控制特别是多轴联动控制日 益成熟，这样就为车铣技术的发展打开了大门，使得车铣技术在短短的二十几年 内取得了突飞猛进的发展。随着新一代 CNC 数控机床技术的完善，目前的数控车 铣机床已经可以实现车削、铣削、镗孔加工、插齿滚齿等多种加工，并且在一次 工件装夹中，就能完成全部切削加工 1。 近二十年来，车铣加工技术因其突出的优点
14、在国外得到了迅速的发展和广泛 应用。但由于国内对车铣技术的研究主要集中在车铣切削过程及车铣工艺和设备 方面，对车铣技术的全面研究特别是动力学方面的研究还相对缺乏，使得实际生 产中存在很多问题，无法充分发挥车铣加工技术的优越性。到目前为止，尚未有 完整的车铣动力学的研究文献可供参考。在车铣加工过程中特别是在高速车铣加 工过程中由于切削振动的存在，引起切削厚度、切削力的大小和方向的瞬时变化， 使得 CNC 车铣中心的研制、车铣加工工艺的制定及车铣技术应用于精密加工并向 超精密加工发展一直是车铣技术研究的难点。要想从根本上解决这些难题，必须 借助于车铣动力学建模和仿真信息对车铣加工进行仿真，从动力学
15、角度分析切削 振动、优化切削工艺参数。 车铣动力学仿真是综合考虑车铣过程中的各种因素，通过建立反映实际车铣 过程的动力学模型，将相关物理因素的变化映射到虚拟加工系统中，实现对车铣 振动的预测，进而揭示切削参数和机床动态特性对车铣过程的影响，并能描述具 体工艺参数下工件的加工质量，指导在线检测和控制及工艺规程优化。因此，在 实际加工之前，对车铣加工过程进行全面、真实地物理仿真、预测和分析，对提 沈阳理工大学硕士学位论文 2 高加工效率、加工质量和生产率具有极其重要的意义。 目前，国内自主研发的车铣加工设备也初具规模。车铣技术也被国家科学技 术部列为“九五”重大攻关项目、 “九五”兵器工业预研项目
16、等。从车铣技术的应 用前景和科学价值来看，车铣技术已被认为是 21 世纪先进制造领域的前沿技术之 一。因此，如何结合生产实际，对车铣加工过程进行动力学建模和仿真，进行车 铣机理及工艺基础的深入研究，是摆在我们面前的紧迫课题之一，无论是基础研 究还是应用研究都将对我国的金属加工业影响重大。 综上所述，获得稳定的加工过程是车铣加工技术的目标之一。本课题的主要 目的是针对目前实际生产中存在的问题，通过对正交车铣加工过程动力学的分析 及研究，深入认识正交车铣加工轴向进给速度、转速比、切削深度、偏心量、铣 刀直径、工件尺寸、铣刀齿数以及整个切削过程中切削位置等因素对车铣加工振 动的影响，进一步揭示切削参数与工件振动之间的关系，提出获得高表面质量的 相关控制措施，为车铣加工技术的推广和应用提供可靠的、科学的依据和技术支 撑，从而带动车铣机床、车铣刀具、车铣 NC 技术等车铣加工相关技术的研究。 1.2 车铣加工动力学研究现状分析 车铣动力学方面，国外的研究主要集中在德国、美国、法国和日本等工业发 达国家。德国的 Aachen 工业大学，Dam
