高速车削加工颤振稳定域建模与验证.pdf

2014年6月
机床与液压
J un. 20
第42卷第11期
MACHINE TOOL HYDRAULICS
Vol 42 No 11
DOI:10.3969/j.issn.-1001-3881.2014.1.026
高速车削加工颤振稳定域建模与验证
曹自洋,薛晓红,鸥,殷振
(苏州科技学院杋楲工程学院,江苏苏州215009)
摘要;再生颤振是制约高速车削加工效率、加工质量和刀具寿命的主要因素。以高速车削加工为研究对象,建立了考
虑再生效应的高速车削动态切削力模型和颤振稳定域解析模型;通过模态实验获得机床系统的频率响应函数,在此基础上
综合使用车削稳定性判据进行数值分析,获得了车削颤振稳定域解析解;进行了车削颤振稳定性时域仿真,获得了车削过
程的切削力和刀具动态位移。仿真实验结果与解析解吻合良好,验证了建立.的车削颤振系统动力学模型和颤振解析模型的
正确性。
关键词;车削;再生颤振;稳定性叶瓣图;时域
中图分类号:TC501文献标识码:A文章编号:1001-3881(2014)11-093
Modeling and Validation of Chatter Stability for High-speed Turning
CAO Ziyang, XUE Xiaohong, XTE Ou, YIN Zhen
College of Mechanical Engineering, Suzhou University of Science and Technology
whou Jiangsu 215009. China
Abstract Regenerative chatter is a major factor restricting the process efficiency, process quality and the longevity of cuttin
tools in high speed turning. For the research of high speed turning process, the dynamic cutting force model and chatter stability do-
main analytical model were constructed, and the dynamic regenerative effects were taken into account. The machine-tool system fre
quency response function was obtained through modal testing. The analytical solution of the chatter stability domain was achieved by
numerical analysis based on the above study, with integrated use of tuming stability criterions. Furthermore, the time domain simula-
tion on chatter stability of high speed turning was performed and the utting force and tool tip displacement were obtained. The simula.
tion experiment results show a good agreement with the analytical solution. Therefore, the correctness of chatter system dynamics mod-
el and chatter stability analytical model is validated.
Keywords Turning; Regenerative chatter; Stability lobe; Time domain
高速车削过程中常常发生切削颤振的动态不稳定 HAJIKOLAEL等建立了单自由度的车削颤振系统,
现象,其产生源于刀具和工件之间的相互振动,由于在建模过程中考虑了车刀后刀面的磨损。 KASHYZA
上次切削所形成的振纹与当前次切削的振动位移之间DEH分别建立了车削系统机床-刀具子系统和刀具
的相位差导致刀具切削厚度的不同而引起自激振动,
工件子系统的分析模型,对考虑摩擦阻尼的车削加
它会导致切屑厚度随着时间变化而変化-2。如果在工进行了颤振分析,并通过控制主轴振动来减小振
高速车削中不能够有效地抑制颤振,那么在此工况下动。上述研究在对车削加工过程建立系统分析模型
加工出的零件会有粗糙的加工面,同时增大刀具的磨时,存在硏究范围不够宽、软件仿真时的模型过于简
损且在切削系统内产生很大的动态载荷。切削系统引单和考虑切削力因素不全面等问题,因而适用性较
发的加工颜振会明显降低切削效率与零件的加工质差,且与实际车削加工过程的差距较大。
量,降低刀具、机床的使用寿命,已经成为阻碍该技
此研究针对高速车削加工稳定性问题进行建模和
术发挥其优勢的主要瓶颈之
分析,对车削加工过程进行颤振稳定域建模并绘出稳
目前,研究者已经展开了对车削加工颤振的基础定性叶瓣图,预测车削加工过程的稳定性极限切削宽
研究,试图对颤振进行预测和抑制。 BUDAK等?通度,并通过时域仿真得到实际切削点的切削力和刀具
过跨尺度建模对车削的颤振稳定性进行了理论硏究。法向位移,也通过仿真实验对建立的颤振解析模型进
CHEN等'通过数值分析研究了无尾架车床的可再生行验证。
加工颤振,在分析过程中考虑了工件的变形。
收稿日期
甚金项目:国家自然科学基金资助项目(51305286);江苏省自然科学基金资助项目(BK2011314);苏州市科技计划资助项
目(SYC201244
作者简介:曹自洋(1979ー),男,博士,讲师,主要研究方向是微细制造、精密加工。E-mail;dukeczy@nuaa.edu.cn