外圆车削颤振的半主动模糊控制

智能材料由于其响应速度快、特性参数易于调控、能耗小等特点,而被越来越多的用于振动控制系统中。针对细长轴类零件外圆车削加工中的颤振现象,研制了基于智能材料——电流变液的车削颤振减振装置,理论分析表明：不同切削条件下,获得最佳减振效果的控制电压并不相同。由此,开发了基于电流变材料的车削颤振模糊控制系统,进行了半主动模糊控制试验。试验结果表明：在不同的切削状态下,该模糊控制系统均可以自适应地调整控制电压,减小切削系统的加速度响应,抑制车削颤振     

微铣削中考虑时变切削力系数的颤振稳定性预测

颤振问题严重制约了微铣床的加工效率和加工质量。加工过程中刀具的磨损使得系统的颤振稳定性预测精度逐渐降低。为解决上述问题,引入时变可靠性理论,并用Gamma过程描述刀刃半径随切削时间的变化关系。建立了系统的时变切削力、时变稳定性和时变可靠性模型,分析了给定条件下系统的颤振稳定性和颤振可靠度随加工时间的变化关系。给出了微铣削在高速铣削过程中在给定切深和主轴转速下系统的颤振时变稳定性和颤振时变可靠性的算例研究。研究表明:随着加工时间的增加系统的颤振稳定性逐渐降低,该方法能够更准确的预测出不同加工时间内系统的颤振稳定性。     

切削振动加速度时间历程演化过程的动力学特征

取自刀架的振动加速度时间历程被分为三大部分：无颤振切削状态,过渡切削状态和颤振状态。这里分别从热力学角度和几何角度描述了切削系统的动力学行为,给出了与无颤振切削状态和颤振状态相对应的振动加速度时间序列的概率密度分布和三维重构吸引子。并计算了各阶段的Lyapunov 指数和 Kolmogrov 熵。同时绘制并讨论了Lyapunov 指数和 Kolmogrov 熵与切削加工参数的关系曲线。研究表明： Lyapunov 指数和 Kolmogrov 熵与切削加工参数的关系曲线变化趋势相同,看起来象稳定阈图,这些曲线对切削加工参数的选择具有指导作用。并且,当切削状态从无颤振状态过渡到颤振状态时,Lyapunov 指数和 Kolmogrov 熵将随振动幅值的增大而增大。     

高速车铣加工三维颤振的稳定性分析与试验研究

针对立铣刀高速车铣加工,基于其切削原理采用解析法建立三维颤振稳定域的理论模型。在立铣刀四轴车铣加工模态试验基础上,仿真分析了颤振稳定域叶瓣图,结果表明立铣刀高速车铣加工产生颤振的条件与铣刀几何形状、工件材料、铣刀转速、切削深度和机床结构的频率响应函数等密切相关。在进行车铣切削颤振稳定域试验时,其切削力频谱分析的结果表明:当刀齿切入频率起主导作用时,切削过程是无颤振和稳定的;当系统模态频率起主导作用时,将产生颤振并测得切削力和表面粗糙度值都大于或高于无颤振情况。因此该理论模型及仿真结果对立铣刀车铣加工零件的加工效率和加工精度可提供相应的理论指导。     

基于径向基函数的AL2A12薄壁件铣削稳定性研究

在薄壁件铣削过程中,颤振对工件表面质量有很大影响,在实际加工之前进行铣削稳定性预测,便于获取无颤振的加工条件。基于径向基函数逼近理论,提出一种铣削稳定性预测方法。通过试切法和锤击法获得了AL2A12薄壁件的切削力系数和模态参数,并基于所提出的方法推导了系统的状态转移矩阵,通过Floquet定理来判定系统的稳定性,从而获得了AL2A12薄壁件铣削过程的稳定性图。为了验证所提方法的计算效率,采用相同的系统参数来进行计算。通过与零阶半离散法和全离散法相比,表明在获得的铣削稳定性图一致的前提下,所提方法的计算效率最高。在预测的稳定性图中选择4个参数点,利用参数点所对应主轴转速和轴向切深来加工AL2A12薄壁件,将实际加工结果与稳定性预测结果进行比较,验证了所提预测方法的有效性。通过实际切削表明,在AL2A12薄壁件的加工过程中,当轴向切深相近时,较高的主轴转速可以获得更好的加工表面,同时也可以避免黏刀现象的产生。     

基于动力学及切削特性耦合的数控机床结构设计

切削性能是评价数控机床好坏的重要指标之一,在结构设计阶段必须加以考虑。以提高实验室自主研发的立卧转换四轴联动数控机床的切削性能为目的,研究基于动力学特性与切削特性耦合的机床结构设计优化方法。首先结合切削加工中的颤振稳定域理论,通过实验获取机床刀尖频响函数和切削力系数,预测切削加工时的三维颤振稳定域图(主轴转速-切宽-切深)及颤振频率图(主轴转速-切宽-频率)。其次采用实验模态技术对整机进行结构动力学测试及分析,在获取可视化振型的基础上,分析引起机床发生颤振,并导致切削性能降低的结构设计上的缺陷。在此基础上,改进主轴头结构并比较刀尖频响函数,结果表明系统动刚度约增加28.2%,机床抵抗切削颤振的能力得到明显加强。     

结构参数对机翼非线性颤振系统混沌运动特性的影响

机翼非线性颤振系统中的混沌运动是一种复杂的非线性动力学现象,研究结构参数对机翼非线性颤振系统混沌运动特性的影响,对非线性动力学系统的混沌运动控制具有重要意义。建立具有立方型非线性操纵刚度的带操纵面二元机翼的颤振方程,采用数值积分方法分别获得该非线性颤振系统在不同阻尼水平和不同操纵刚度下的分岔特性图。对分岔特性图进行对比分析结果表明：操纵面的操纵刚度并不影响系统的混沌运动特性,而操纵面偏转自由度或机翼俯仰自由度上的阻尼将会影响系统混沌颤振区域内的周期窗口,进而影响系统的混沌运动特性,特别是两自由度中任意一个的阻尼水平减小到一定程度时,系统混沌颤振区域内的周期窗口都将会消失;但是,单一的减小某个自由度上的阻尼水平,会使机翼非线性颤振系统的颤振临界速度降低。为了使得该系统在混沌颤振区域内不产生周期窗口又不降低其颤振临界速度,可采用在减小俯仰自由度阻尼的同时增大操纵面偏转自由度阻尼的方法。     

侧铣加工动力学建模及仿真

本文以两自由度的铣削加工为研究对象,建立了闭环的动态力～振动切削动力学仿真模型;应用模型仿真切削力与振动并与实测数据进行比较;证实该模型仿真切削力与振动的准确性。该结果对预测铣削力与振动,选择合适的切削参数具有实际意义。     

切削过程再生颤振的模糊稳定性分析

在机床切削颤振分析中首次考虑了模糊不确定性因素的影响，利用模糊数学分析方法详细论述了切削过程再生颤振的模糊稳定性分析问题，给出了模糊稳定性极限切削宽度集合的可能性分布及其置信区间表达式，最后依据本文的理论分析，经计算机编程绘制了模糊稳定性图     

错齿BTA深孔振动钻削刀具系统径向减振特性研究

BTA深孔钻削刀具系统刚性差,加工过程极易发生多个方向的颤振,而刀具颤振对孔的加工精度和刀具的使用寿命具有重要影响。根据错齿BTA内排屑深孔钻刀具系统的特点,构建了深孔钻削过程刀具系统径向动力学模型,通过其特征方程研究了径向动力学特性。为了获得普通钻削与振动钻削条件下刀具系统径向振动的行为特征,将切削加工过程离散为满足状态方程连续条件的多个微小切削单元,并采用差分方程求解方法给出了普通钻削与振动钻削过程刀具径向振动位移的数值解。仿真和实验结果表明,所建立径向动力学模型的求解结果与实验结果相吻合,振动钻削对刀具系统径向振动具有较强的抑制效果,与普通钻削相比,孔加工圆度和表面粗糙度都有了明显改善。     

滞后型切削颤振诊断技术的研究

着重讨论了滞后型切削颤振的诊断原理和诊断方法。理论分析和试验结果证明，滞后型切削颤振系统的稳定性和切削力信号Ｆｙ（ｔ）相对于振动加速度信号ｙ（ｔ）的相位差ρ存在某种一一对应的关系。因此，可以通过测量切削过程中切削力信号Ｆｙ（ｔ）相对于振动加速度信号ｙ（ｔ）的相位差ρ的大小来诊断生产现场中发生的颤振是否属于滞后型颤振。试验在普通车床上进行。     

Nonlinear models of chatter in drilling processes

We develop a nonlinear model of chatter in drilling that incorporates friction of the material on the cutting tool and its interaction with the axial-torsional mode of vibration seen in twist drills. Stability criteria are determined for both regenerative and non-regenerative chatter, and the effect of tool parameters and the friction law itself on the results is analysed. Our analysis shows that the exact form of the friction law is not critical in the stability calculation, only the size of the friction coefficient for steady cutting, and the slope of the friction law at the steady cutting state. However, its interaction with the geometry of the vibration is crucial. In the laboratory, drilling vibrational instabilities can occur at frequencies less than the natural frequency of the excited mode of the drill, and we find this result depends critically on the shape of the vibration mode projected onto the cutting edge of the drill.     

基于似然比检验原理的机床切削颤振早期监测

根据似然比检验原理提出了一种新的机床切削颤振监测统计量，能识别切削过程中产生的信噪比为０．１５的微弱振动成份。文章还就颤振监测工作特性、颤振监测门限值设置等有关问题进行了分析讨论。颤振监测考证试验在一台数控车床上进行。     

机床速度型切削颤振的非线性研究

本文建立了由刀架弹性子系统、工件弹性子系统在非线性动态切削力耦合下的多自由度非线性系统的速度型切削颤振理论模型,通过数值模拟显示,此系统存在内共振现象,从而解释了速度型切削颤振发生的振动机理。为解决切削颤振问题提供了一种新的技术途径。     

Integrated approach for prediction of stability limits for machining with large volumes of material removal

High-speed machining of thin-walled structures is widely used in the aeronautical industry. Higher spindle speed and machining feed rate, combined with a greater depth of cut, increases the removal rate and with it, productivity. The combination of higher spindle speed and depth of cut makes instabilities (chatter) a far more significant concern. Chatter causes reduced surface quality and accelerated tool wear. Since chatter is so prevalent, traditional cutting parameters and processes are frequently rendered ineffective and inaccurate. For the machine tool to reach its full utility, the chatter vibrations must be identified and avoided. In order to avoid chatter and implement optimum cutting parameters, the machine tool including all components and the work piece must be dynamically mapped to identify vibration characteristics. The aim of the presented work is to develop a model for the prediction of stability limits as a function of process parameters. The model consists of experimentally measured vibration properties of the spindle-tool, and finite element calculations of the work piece in (three) different stages of the process. Commercial software packages used for integration into the model prove to accomplish demands for functionality and performance. A reference geometry that is typical for an aircraft detail is used for evaluation of the prediction methodology. In order to validate the model, the stability limits predicted by the use of numerical simulation are compared with the results based on the experimental work.     

Delay induced canards in a model of high speed machining

We consider here a model from Stone and Askari [Nonlinear models of chatter in drilling process, Dyn. Syst. 17 (2002), pp. 65–85] for regenerative chatter in a drilling process. The model is a nonlinear delay differential equation where the delay arises from the fact that the cutting tool passes over the metal surface repeatedly. For any fixed value of the delay, a large enough increase in the width of the chip being cut results in a Hopf bifurcation from the steady state, which is the origin of the chatter vibration. We show that for zero delay the Hopf bifurcation is degenerate and that for a small delay this leads to a canard explosion. That is, as the chip width is increased beyond the Hopf bifurcation value, there is a rapid transition from a small amplitude limit cycle to a large relaxation cycle. Our analysis relies on perturbation techniques and a small delay approximation of the DDE model due to Chicone [Inertial and slow manifolds for delay differential equations, J. Diff. Eqs 190 (2003), pp. 364–406]. We use numerical simulations and numerical continuation to support and verify our analysis.     

时变进给抑制切削颤振的理论分析与实验验证

在分析恒进给加工系统稳定性的基础上，进一步分析了时变进给加工系统的稳定性。计算机模拟结果表明，时变进给切削比单调增大进给切削更能有效地抑制颤振。在一定的条件下，时变进给量变化幅度及变化频率越大，抑振效果越好。在优选条件范围内，时变进给量幅度变化对抑振效果的影响比时变进给量频率变化的要大。不同的时变进给量的变化波形，皆有较好的抑振效果，其中以矩形波的抑振效果最好．实验结果验证了理论分析是成立的。     

Tool wear monitoring using acoustic emission in the existence of chatter

A method using an acoustic emission (AE) technique to monitor automatically a tool wear was examined. A flank wear is calculated using a statistical model which uses RMS value of AE signal and cutting speed as variables. The investigation reveals that the AE signal is influenced by tool vibration, specially during chatter. This contradicts the theory that the AE signal is not susceptible to mechanical vibration. The paper discusses the mechanism that explains the effect of the tool vibration on the AE signals.