1绪论
1.1研究课题背景
制造业是我国经济持续高速增长的支柱产业,是提高国家综合竞争力的重要保障,特别是大型设备的生产制造技术在提高国家整体装备技术水平上发挥重要的作用。近年来,工业技术的发展以及国内外竞争的日益激烈,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,提出了敏捷制造、虚拟制造、网络化制造等先进制造思想,使得制造系统向集成化、网络化、智能化发展⑴。
某集团公司是国内生产大型鼓压风机的重点企业,随着国内外压缩机需求量的增大,其生产压力也与日俱增,造成了部分产品拖期现象严重。其中叶轮类产品的生产是其产品生产环节中的重点,由于叶轮结构的特点,其空间形状较复杂,叶片间通道较深,当前采用铣削方法进行开式和闭式叶轮的加工,在加工过程中需要较大的刀具悬伸量,极易产生切削振动。铣削中刀具的切削振动会使切削厚度发生动态变化,进而使切削力发生改变,切削力的变化又会使得加工系统处在不稳定状态,如果切削参数选择不当的话还会产生颤振。颠振的存在极大的影响了叶轮的加工精度,降低加工表面质量,降低机床使用寿命并加剧刀具的磨损和破损,严重的还会导致机床损坏。同时刀具的磨损或破损又对加工系统稳定性有反馈作用,会引起切削力的变化,又会使加工系统处于不稳定状态。另外,过度磨损的刀片在切削过程中会影响加工精度和表面质量,如不及时更换,由于刀具与工件间的摩擦力增大,切削温度急剧上升,很容易造成工件表面硬化,必须银工修磨后才能继续加工,更甚者,过度磨损的刀片如果继续使用很有可能打碎刀片,使刀片碎片镶入工件,严重影响叶轮的加工精度并需要甜工修磨方可继续加工,这些情况都造成辅助时间的增加,极大的影响生产效率。
目前公司在制订工艺线路时,加工参数的选取主要依靠机床、工具厂商提供的通用数据和生产经验,相对保守。在生产加工中,操作者都是凭自己的加工经验来判别切削状况和刀片状态,如:加工一段时间就停下来检查刀片、结合切削噪声判别刀片状态、观察切屑状态、根据机床功率变化来判别刀具的磨损情况等。其中,停机检查是最直观,也是判别最准确的方法,但是停机检查后再启动因为接刀误差势必会影响工件精度。这些因素都阻碍了高效、高性能数控切削的实现,严重影响生产效率、加工质量。因此对洗削加工过程进行动力学研究、有限元软件分析以及对刀具状态及可靠性等的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本课题相关技术研究现状
1. 2. 1铣削加工稳定性研究现状
在机械加工中,除了切削运动以外,有时还会在刀具与被切削材料表面之间产生相对振动,这种切削振动会对机械加工系统带来不良影响,导致加工精度、表面质量及系统可靠性的降低。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来激励的作用下发生的振动,这种振动会在自身阻尼的作用下快速衰减。强迫振动是由机床内部的周期性振源或外部激励所引起的一种振动,其来源非常广泛。自激振动是在切削过程中,在无周期性外部激振力的作用下由于加工系统本身特征所引起的一种切削振动,通常将这种切削振动称为颤振(Chatter)。为了提高机床的精度和效率,对统削加工稳定性进行分析和预测,避免发生颤振是国内外研究者研究的焦点。
从现有文献来看,洗削加工稳定性域的研究主要是釆用数值计算得到加工系统的临界切深和对应的主轴转速,将主轴转速和临界切深分别作为横坐标和纵坐标画出二者的关系图,称为稳定性叶瓣图。在实际生产中,根据叶瓣图选取加工参数有助于避免产生颤振并能有效提高加工效率和产品质量。对于洗削加工稳定性的研究主要集中在对洗削加工稳定性域的求解方法上,主要的算法有:解析法、时域数值仿真法、多频域求解法、半离散及全离散时域求解法和实验法。
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洗削力模型,首先提出了解析法(Zero-OderAnalytical,ZOA)该方法是一种用频域解析算法获得铣削加工颜掘稳定性域的方法,在求解时变切削力的时候,由于方向系数是角频率60和周期r的函数,对于周期函数通常采用傅里叶级数展开。Altintas和Budak在文献中证明周期函数的高次谐波不对结果产生影响,可以用0阶傅里叶级数来近似求得切削力方向系数的平均值,这样将非线性问题转化为线性问题。北京航空航天大学刘强等采用Z〇A方法获得了车削及洗削中,平头刀、球头刀、R刀的稳定性叶瓣图,并讨论了切削参数、模态参数等对稳定性叶瓣图的影响。但该方法对于小径向切深不能获得较高精度的仿真结果。对于这个问题,Merdol和Altintas提出了多频率求解方法。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颜振频率,这种方法需要求解多个特征值,因此计算时间比ZOA法多很多。
2铣削加工稳定性分析
铣削系统是一个非常复杂的动态系统,在洗削过程中,切屑的厚度随切削时间变化而变化,其切削力也与切屑厚度、机床系统的固有特性成正比,因此刀具与加工工件之间除正常的切削运动外,还会产生一种十分强烈的相对振动,这种切削振动将会导致铣削过程中出现不稳定切削。在统削过程中,根据振动激励源不同,可将振动可分为强迫振动和自激振动两大类[35]。强迫振动是由于机床内部的周期振源被外界传入的激励所激起的一种振动。自激振动往往是由机床系统受到自身内部的激励作用所引起的,对于自激振动机理的研宄和控制要比强迫振动的研宄难得多。统削颤振是发生在统削过程中一种强烈的自激振动。如果在铣削中不能有效抑制不稳定颜振,那么将会影响零部件的加工质量,同时将加剧刀具的磨损。所以对洗削系统进行铣削颤振稳定性分析,对提高生产效率,提高零部件加工质量,降低刀具磨损具有非常重要的意义。
3铣削刀具磨损有限元分析................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铣削过程有限元仿真多步建模................36
3.4铣削有限元计算结果及分析................40
4基于声发射的刀具状态监测................45
4.1金属切削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铣削刀具磨损声发射检测试验................50
4.4铣削刀具磨损声发射信号采集与分析................53
4.5铣刀状态在线监测系统及现场验证................59
4.6小结................62
5基于Logistic回归模型的铣削刀具可靠性评佔................63
5.1 Logistic 回归模型................63
5.2刀具的可靠性建模及评估................645
5.3 小结................69
结 论
作为国家经济增长支柱的制造业是一个传统的领域,它已经发展了上百年,建立了比较系统的理论体系,积累了丰富的实践经验。但随着科学技术水平的提高,机械制造业面临着新的挑战,迫使机械制造技术正在朝自动化、柔性化、精密化、信息化和智能化方向发展。铣削加工是金属切削加工中应用比较广泛的加工方式,随着先进制造技术的发展,对铣削加工的稳定性、可靠性提出了更高的要求。在实际铣削加工中,加工系统颤振和刀具失效是影响铣削加工效率、精度、质量以及加工系统稳定性和可靠性的重要因素。因此,课题通过铣削加工系统的稳定性分析、铣削加工成形过程的有限元分析、铣削刀具磨损分析、铣削刀具的状态监测以及铣削刀具可靠性评估,对铣削加工系统稳定性和刀具可靠性问题进行了分析研究,得到了以下结论:
(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、临界切深公式以及对应的主轴转速公式。在模态参数识别实验与切削力系数识别实验的基础上,采用ZOA法获得了铣削过程稳定性叶瓣图,并通过试验验证了叶瓣图很够正确反映实际加工系统稳定和颤振区域,有助于实际加工中切削参数的优化和加工系统可靠性的提高。
(2)采用DEF0RM-3D软件,使用分步建模方法,建立了铣削加工有限元模型,并对铣削过程进行了有限元仿真分析,获得了切屑形貌,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的磨损影响最大,为刀具寿命的提高和加工工艺参数优化提供了帮助;
(3)采用小波包分析方法对完好和磨损刀具的声发射信号进行了分析,通过包络分析提取了刀具磨损的故障特征,基于此特征幵发了铣刀状态在线监测系统,通过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、加工系统的智能化以及能够有效降低生产成本;
(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,通过提取小波能量系数与平均切削力作为观测值,建立了 Logistic回归模型对刀具可靠性进行了评估的。
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