薄壁件铣削动力学分析与颤振监控方法

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1、学校代码10699分类号TP391.7密级学号2010100409题目薄壁件铣削动力学分析与颤振监控方法作者刘一龙学科、专业航空宇航制造工程指导教师宁若拉张定华教授申请学位日期2017年3月分类号TP391.7学校代码10699密级学号2010100409西北工业大学博士学位论文（学位研究生）薄壁件铣削动力学分析与颤振监控方法作者刘一龙宁若拉指导教师：专业技术职务：教授张定华学科(专业)：航空宇航制造工程申请学位日期：2017年3月AnalysisofMillingDynamicsandChatterDetection

2、andControlMethodsforThin-walledWorkpieceByLIUYilongAThesisSubmittedtotheGraduateFacultyoftheNorthwesternPolytechnicalUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofDOCTOROFPHILOSOPHYinAeronauticalandAstronauticalManufacturingEngineeringSupervisor:Pr

3、of.NINGRuolaProf.ZHANGDinghuaNorthwesternPolytechnicalUniversityMarch,2017摘要摘要在航空航天等领域中，复杂薄壁件得到了非常广泛的应用，其高效、高品质及高精密制造技术是目前实际生产加工中的关键技术。薄壁件的最显著特点是刚性弱，在铣削加工过程中，由于薄壁件动力学稳定性差导致的颤振问题非常常见，严重影响了加工质量并大大制约了加工效率，因此对薄壁件铣削加工中动力学稳定性的研究是具有很重要的工程意义。本文针对航空薄壁件铣削加工中的颤振抑制问题，开展了以下几

4、个方面的研究：铣削加工系统动力学模型的建立、铣削加工系统动力学稳定性计算、铣削加工的在线颤振监测以及切削参数的离线优化。本文的主要研究内容和取得的创新性成果如下：1.针对薄壁件铣削加工系统动力学模型的建立问题，首先，分析了薄壁件铣削加工系统的结构特点及时变特性，并根据理论力学和浅壳理论，提出了仿真薄壳类零件在侧铣加工过程中的材料去除情况的解析方法，能计算出铣削加工过程中工件的固有频率以及振型等模态参数，相比有限元方法，采用解析方法只需极少量运算即可求解出加工全过程的模态参数变化情况，并且求解前两阶模态固有频率的误差可控

5、制在8%以内的可接受范围内；进而，建立了铣削加工系统的时变动力学模型，并分析了瞬时切削厚度与瞬时切削力；最后，对薄壁件铣削加工系统的动力学模型进行了简化，为动力学稳定性求解奠定基础。2.针对铣削加工系统动力学稳定性求解的问题，首先，深入研究了经典的高阶半离散方法，并提出了基于埃尔米特插值的高效全离散方法(HFDM)，通过数值实验验证了所提出的HFDM算法相比其他方法所需时间更短，收敛速度更快；然后，考虑到铣削加工系统的系统周期等于系统时滞，因此将HFDM方法进一步简化，并提出了针对铣削加工系统的高效全离散方法；最后，对

6、铣削加工稳定性求解算法的收敛特性进行了数值研究，结果表明其相比高阶半离散方法和普通全离散方法的效率更高，花费的计算时间更短。3.针对薄壁零件铣削加工中的颤振监测与切削参数优化的问题，首先，通过加速度传感器、切削力及扭矩测量仪器和摄像头对切削过程中的切削力、扭矩和加工状态进行采集，同时读取机床内置系统中的进给速度、主轴转速、加工坐标位置等信息，实现加工数据的采集；其次，考虑工件几何形状，刀具路径和模型的动态特性，用一个随铣削刀具位置发生变化的时变阀值识别颤振，主要创新点是利用工件的动态特性来更好地识别颤振，即在颤振容易发

7、生的地方，阈值被设定得较小，从而更早的预测颤振，而在稳定性更好的地方，可以将阈值设置的更大，从而使计算量减小，并且可以避免由于环境噪声或其他环境异常导致的误报警；最后，将离线优化方法与在线监测方法结合，并引入了基于–I–西北工业大学工学博士学位论文加工现场数据的薄壁件铣削参数优化方法。4.为了综合验证本文所提出的方法，在论文的实验验证部分，首先，搭建了一个薄壁件铣削加工动力学稳定性监控的实验平台；然后，开发了薄壁件铣削加工的稳定性分析与监控软件；最后，进行了薄壁环形件的切削实验，验证了薄壁件铣削动力学分析与颤振监控方法

8、能提高薄壁件的铣削加工质量以及铣削加工效率。关键词：薄壁件，铣削加工，周期时滞微分方程，动力学稳定性，切削参数优化，颤振监控–II–ABSTRACTABSTRACTThin-walledpartsarewidelyusedintheaerospacefield,duetothelowstructuralrigidity,vibrat