35000字硕士毕业论文铣削稳定性和刀具可靠性研究

介绍

1.1研究背景

制造业是中国经济持续快速增长的支柱产业，是提高国家综合竞争力的重要保证，尤其是大型设备的生产制造技术对提高国家整体设备技术水平起着重要作用。近年来，工业技术的发展和国内外日益激烈的竞争对机械加工效率、加工精度、加工成本等方面提出了更高的要求，敏捷制造、虚拟制造和网络化制造等先进制造理念的提出，使得制造系统朝着集成化、网络化和智能化方向发展(1)。

集团公司是中国生产大型风机的重点企业。随着国内外对压缩机需求的不断增加，其生产压力也日益增大，导致部分产品严重延迟。其中，叶轮产品的生产是生产过程中的关键环节。由于叶轮结构的特点，其空形状更复杂，叶片之间的通道更深。目前，铣削法用于加工开式叶轮和闭式叶轮，加工过程中需要大量的刀具悬置，容易产生切削振动。铣削时，刀具的切削振动会使切削厚度动态变化，进而改变切削力。切削力的变化会使加工系统处于不稳定状态。如果切削参数选择不当，也会发生颤振。颠簸的存在极大地影响了叶轮的加工精度，降低了加工表面的质量，降低了机床的使用寿命，加剧了刀具的磨损，严重时甚至导致机床损坏。同时，刀具的磨损或损坏对加工系统的稳定性有反馈作用，这将引起切削力的变化，使加工系统处于不稳定状态。此外，过度磨损的刀片会影响切削过程中的加工精度和表面质量。如果不及时更换，刀具和工件之间的摩擦将增加，切削温度将急剧上升，这将容易导致工件表面硬化。此外，如果过度磨损的刀片连续使用，它们可能会折断刀片并将刀片碎片插入工件。这将严重影响叶轮的加工精度，并且在继续加工之前需要进行精细的研磨工作。所有这些条件都会增加辅助时间，极大地影响生产效率。

目前，工艺参数的选择主要依赖于机床和工具制造商在制定工艺路线时提供的一般数据和生产经验，相对保守。在生产加工中，操作者根据自己的加工经验判断切削条件和刀片状态，如加工一段时间后停下来检查刀片，根据切削噪音判断刀片状态，观察切屑状态，根据机床功率变化判断刀具磨损情况等。其中，停止检查是最直观、最准确的判断方法，但停止检查后重新启动，因为刀具接收误差将不可避免地影响工件精度。这些因素阻碍了高效、高性能数控切割的实现，严重影响了生产效率和加工质量。因此，动力学研究、有限元软件分析以及刀具状态和可靠性研究有助于提高机床利用率、铣削效率、产品精度、产品表面质量和降低生产成本。

1.2本课题相关技术的研究现状

1.2.1铣削稳定性的研究现状

在机械加工中，除了切削运动之外，有时刀具和待切削材料表面之间会产生相对振动。这种切削振动将对机械加工系统产生不利影响，导致加工精度、表面质量和系统可靠性的降低。切削振动可分为三类:自由振动、强迫振动和自激振动。自由振动是加工系统在外部激励作用下的振动。这种振动将在其自身阻尼的作用下迅速衰减。强迫振动是一种由机床内部周期性振动源或外部激励引起的振动，其来源非常广泛。自激振动是切削过程中在非周期性外部激振力的作用下，由加工系统的特性引起的切削振动。这种切削振动通常称为颤振。为了提高机床的精度和效率，分析和预测切削的稳定性，避免颤振是国内外研究者关注的焦点。

从现有文献来看，清洗加工稳定域的研究主要是通过数值计算得到加工系统的临界切削深度和相应的主轴转速，并分别以主轴转速和临界切削深度的关系图作为横坐标和纵坐标，称为稳定凸角图。在实际生产中，根据凸角图选择加工参数有助于避免颤振，有效提高加工效率和产品质量。洗涤过程稳定性的研究主要集中在求解洗涤过程稳定域的方法上。主要算法有:解析法、时域数值模拟法、多频域解法、半离散和全离散时域解法和实验法。

1995年，加拿大学者Altintas和Budak建立了基于切削厚度再生效应的动态切削力模型。首先，他们提出了分析方法(零阶分析法，ZOA)。该方法是利用频域分析算法获得铣削加工稳定域的一种方法。求解时变切削力时，傅里叶级数展开通常用于周期函数，因为方向系数是角频率60的函数，周期R. Altintas和Budak在文献中已经证明周期函数的高次谐波不影响结果。切削力方向系数的平均值可通过使用0阶傅里叶级数近似获得，从而将非线性问题转化为线性问题。北航空航空航天大学刘强等人用Z 0 A法获得了平头铣刀、球头铣刀和R铣刀在车削和清洗过程中的稳定凸角图，并讨论了切削参数和模态参数对稳定凸角图的影响。然而，这种方法不能获得小直径切向深度的高精度仿真结果。Merdol和Altintas为这个问题提出了一个多频解决方案。该方法考虑了方向矩阵的高次谐波，在计算过程中通过迭代搜索严阵频率。这种方法需要求解多个特征值，因此计算时间比ZOA方法长得多。

2铣削稳定性分析

铣削系统是一个非常复杂的动态系统。在清洗过程中，切屑厚度随切削时间而变化，其切削力也与切屑厚度和机床系统的固有特性成正比。因此，除了正常的切削运动之外，刀具和工件之间还会有非常强的相对振动，这将导致铣削过程中的不稳定切削。在切割过程中，根据不同的振动激励源，振动可分为强迫振动和自激振动[35]。强迫振动是机床内部周期性振动源在外部输入激励下产生的一种振动。自激振动通常是由机床系统的内部激励引起的。研究和控制自激振动的机理要比研究强迫振动困难得多。切削颤振是切削过程中发生的强烈自激振动。如果在铣削过程中不能有效抑制不稳定的色素和振动，零件的加工质量将受到影响，刀具磨损将加剧。因此，分析清洗系统的铣削颤振稳定性对提高生产效率、提高零件加工质量和减少刀具磨损具有重要意义。

3铣刀磨损的有限元分析……29

3.1 DEFORM软件介绍……29

3.2铣削过程有限元理论基础……30

3.3铣削过程多步建模的有限元模拟……36

3.4铣削有限元计算结果及分析……40

4工具状态监控……45基于声发射

4.1金属切削的声发射机理及其检测技术……45

4.2声发射信号的小波包分析方法……48

4.3铣刀磨损的声发射测试……50

4.4铣刀磨损声发射信号的采集与分析……53

4.5铣刀状态在线监测系统及现场验证……59

4.6总结……62

5基于逻辑回归模型的铣刀可靠性评估……63

5.1逻辑回归模型……63

5.2工具可靠性建模和评估……645

5.3总结……69

结论

制造业作为国民经济增长的支柱，是一个传统领域。它已经发展了数百年，建立了比较系统的理论体系，积累了丰富的实践经验。然而，随着科学技术的进步，机械制造业面临着新的挑战，迫使机械制造技术向自动化、柔性化、精密化、信息化和智能化方向发展。铣削是金属切削中广泛使用的加工方法。随着先进制造技术的发展，对铣削的稳定性和可靠性提出了更高的要求。在实际铣削中，加工系统的颤振和刀具故障是影响加工系统铣削效率、精度、质量、稳定性和可靠性的重要因素。因此，本课题通过对铣削系统的稳定性分析、铣削成形过程的有限元分析、铣削刀具的磨损分析、铣削刀具状态的监测和铣削刀具的可靠性评估，对铣削系统的稳定性和铣削刀具的可靠性进行了分析和研究，得出以下结论:

(1)通过建立动态铣削过程动力学方程，推导出基于再生颤振原理的动态切削力公式、临界切削深度公式和相应的主轴转速公式。在模态参数识别实验和切削力系数识别实验的基础上，采用ZOA方法获得铣削过程稳定性的叶片瓣图，实验证明叶片瓣图能够准确反映实际加工系统的稳定性和颤振区域，有助于优化切削参数，提高实际加工中加工系统的可靠性。

(2)利用DEF0RM-3D软件和分步建模方法，建立铣削过程有限元模型，并对铣削过程进行有限元仿真分析。获得了切屑形态、切削力、刀具温度场、刀具磨损等数据，并讨论了加工参数对刀具磨损的影响。发现切削速度和切削深度对刀具磨损影响最大，为提高刀具寿命和优化加工参数提供了帮助。

(3)采用小波包分析方法对完整刀具和磨损刀具的声发射信号进行分析，通过包络分析提取刀具磨损的故障特征。基于这一特点，开发了铣刀状态在线监测系统。铣削实验验证了该方法的可靠性和有效性。在实际生产中，该系统有助于提高产品加工质量、生产效率、加工系统的智能化，并能有效降低生产成本。

(4)在刀具寿命试验的基础上，结合小波包分析方法，以声发射信号和切削力信号为载体，提取小波能量系数和平均切削力作为观察值，建立逻辑回归模型来评价刀具的可靠性。

参考:

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