考虑跳动的刀具运动与切削力建模研究_

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：考虑跳动的刀具运动与切削力建模研究*作者：张栋梁学科专业：航空宇航制造工程指导教师：莫蓉2017年11月*本研究得到国家自然科学基金面上项目（51475381与51375395)与陕西省自然科学基础研究计划项目（2013JM7001）的资助Title:StudyonMillingCutterMotionandCuttingForceModelingConsideringtheToolRunout*ByZhangDongliangUndertheSupervisionofProfessorMoRongADissert

2、ationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyInAeronauticalandAstronauticalManufacturingEngineeringXi’anP.R.ChinaNov.2017*ThispaperissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.51475381andGrant

3、No.51375395)andShaanxiScienceandTechnologyResearchandDevelopmentProgram(GrantNo.2013JM7001).摘要摘要为了实现降低自重、控制结构强度与优化使用性能的目标，飞机、航空发动机以及航天等行业中大量采用形状复杂且加工精度要求高的薄壁结构件。铣削由于其通用性和高材料去除率被广泛地应用在这类薄壁结构件的加工中。铣削加工中的铣削力作为一个非常重要的物理量，会受加工工艺系统中机床主轴运动误差与刀具安装误差所造成刀具跳动的影响，而且还直接影响切削热的产生，并进一步影响刀具的磨损、破损以及

4、耐用度等，对工件的加工精度具有重要的影响。在铣削加工中，很难避免由于机床主轴运动误差与刀具安装误差所造成刀具跳动，刀具跳动是影响瞬时未变形切屑厚度的重要因素。在薄壁结构件加工中，刀具跳动可能造成实际切削力与理想切削力出现明显差异，进而影响加工精度，甚至可能造成零件报废。以往研究是从刀具跳动造成后果的角度建立了刀具偏心模型。有别于这些研究，本文考虑了机床主轴运动误差与刀具安装误差的影响，从造成刀具跳动现象源头的角度提出刀具运动建模方法，该建模方法能够帮助相关研究人员分析加工过程中影响刀具运动的误差来源，有助于实现加工参数优化与加工状态信息监测。本研究得到国家自

5、然科学基金面上项目（51475381与51375395)与陕西省自然科学基础研究计划项目（2013JM7001）的资助。文章建立了考虑刀具跳动现象的刀具运动模型，在该模型的基础之上，提出了瞬时未变形切屑厚度的数值计算方法，以及相应的切削力系数标定算法，最终实现了切削力建模与计算。最后，将考虑跳动的刀具运动模型与切削力模型应用在了刀具磨损状态识别方面。主要研究内容及创新点如下：1）提出了一种考虑跳动的刀具轴线运动建模方法以及相关参数的标定算法。刀具的运动决定了刀具切削工件材料的瞬时体积，对刀具所受切削力的大小具有重要作用。在分析了机床轴承、刀柄以及弹簧夹头等零

6、部件可能存在的误差后，分析了造成刀具跳动现象原因，利用刚体运动理论以及机床运动几何仿真技术，建立了刀具轴线运动模型。使用SPN300型主轴动态误差分析仪完成了主轴误差动态测量试验，获取了SPN300型标准测量球棒中心的运动轨迹。通过粒子群优化算法，标定了相关运动参数与刀具安装误差参数，并将刀具轴线运动轨迹的理论预测值与试验测量值进行了对比分析，验证了该模型的适用性，为刀具磨损状态识别特征的计算提供了理论支持。2）提出了一种基于刀具运动模型的瞬时未变形切屑厚度数值计算方法。刀具运动模型包含了刀具轴线运动模型与刀刃运动曲面模型，瞬时未变形切屑厚度是切削力建模中的

7、核心问题。在刀具轴线运动模型的基础上，建立了刀刃运动曲面模型，并给出了瞬时未变形切屑厚度的计算方法。该方法由于不存在对刀具运动的简化，与传I摘要统的刀具偏心模型解析计算方法相比，能够有效避免瞬时未变形切屑厚度细节特征损失。3）提出了一种切削力系数以及刀具运动模型参数的标定算法。在瞬时切削力系数标定研究的基础上，提出了标定常量切削力系数以及刀具偏心参数的方法。该方法相对于传统的平均切削力标定方法，避免了多次进行切削实验的弊端，并且具有标定偏心参数的能力。为了说明斜角切削理论以及剪切面假设理论中定义的角度关系，定义了参考平面与向量，通过向量的变换说明了角度变换关

8、系，给出了切削力系数的简洁清晰推导方法。基于刀具轴线