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铣床颤振的理论和实验研究

作　者: 刘盼
导　师: 张琪昌
学　校: 天津大学
专　业: 工程力学
关键词: 颤振时滞微分方程稳定性数值仿真实验研究
分类号: TG54
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

金属的铣削颤振过程是铣床、铣刀与加工零件间形成的复杂非线性动力学行为,其颤振产生的原因主要是由动态切削厚度变化引起的再生颤振,属于自激振动。这种振动使刀具与工件的相对位置发生改变,降低加工表面的精度与铣削效率。本文在颤振研究现有理论的基础上,通过对铣削过程中动态铣削力的推导,建立了非线性动力学颤振模型,并通过实验方法对该模型部分推导结果进行了验证,本文主要进行的研究内容和研究成果有以下几个方面:1)根据推导出的动态铣削力,建立位移反馈引起的铣削颤振物理模型,得到了非线性铣削力耦合下的二自由度时滞微分方程。通过求解该方程的特征值,分析系统零平衡点处的稳定性,并由此得到平衡点附近临界时滞的表达式。运用多尺度法,求解该方程的近似解析解,通过数值解检验了该解析解的正确性。2)根据建立的二自由度时滞微分方程,利用半离散法数值计算出系统的稳定性极限图,并讨论了系统的特征值与发生分叉的关系。通过对颤振方程进行Simulink仿真,对动态铣削过程进行了数值模拟,观察到不同铣削参数下的位移、加速度信号的变化曲线,直观反映了动态铣削过程,并与得到的稳定性极限图相吻合。3)通过实验研究方法,分别观察到平稳铣削和发生颤振时的实验现象,并分析了其产生的机理。研究了转速、切深、切宽等参数变化对铣削稳定性的影响,并将实验现象与前文的理论分析结果相比较,验证了相关结论在实际铣削过程中的正确性。而且在实验中发现了一些新的铣削颤振问题,本文对这些问题进行了分析和总结,对于今后改进理论模型和实际加工中选择铣削用量,减振抑振具有指导意义。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 课题研究的背景及意义  8-9
  1.2 国内外的研究现状  9-12
    1.2.1 颤振理论模型的研究进展  9-11
    1.2.2 颤振预防与控制的研究进展  11-12
    1.2.3 切削颤振监控技术的研究进展  12
  1.3 机床切削过程稳定性预测研究现状  12-13
  1.4 时滞反馈系统动力学研究进展  13-15
  1.5 本文的主要研究内容  15-16
第二章切削力模型的研究和动力学分析  16-28
  2.1 铣削力的单元划分及模型分析  16-22
    2.1.1 单元铣削力的分析与计算  17-21
    2.1.2 整体铣削力的分析和计算  21-22
  2.2 动态铣削力模型分析和计算  22-25
  2.3 基于数值仿真的动态铣削颤振模型  25-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章铣削颤振稳定性分析  28-43
  3.1 平衡点的稳定性理论分析  28-31
  3.2 铣床振动系统平衡点的稳定性转换  31-32
  3.3 铣削颤振系统的近似解析解分析  32-39
    3.3.1 多尺度法介绍  33-35
    3.3.2 铣削颤振系统的多尺度摄动分析  35-39
  3.4 铣削系统颤振稳定性分析  39-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章铣削颤振稳定性计算和数值仿真  43-58
  4.1 铣削稳定性数值计算  43-50
    4.1.1 时滞微分方程的半离散法  43-47
    4.1.2 稳定性数值分析  47-50
  4.2 铣削过程的数值仿真  50-57
    4.2.1 Matlab/Siumlink软件简介  51
    4.2.2 铣削系统仿真模型的建立  51-57
  4.3 本章小结  57-58
第五章铣削系统的动态实验研究  58-80
  5.1 实验目的和意义  58
  5.2 实验设计方案  58-60
    5.2.1 传感器类型的选择  58-59
    5.2.2 实验设备和安装  59-60
  5.3 实验测试及结果分析  60-79
    5.3.1 模态实验结果分析  60-61
    5.3.2 动态铣削力系数测量  61-63
    5.3.3 实验数据处理与分析  63-79
  5.4 本章小结  79-80
第六章总结与展望  80-81
参考文献  81-86
发表论文和参加科研情况说明  86-87
致谢  87

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