数控铣削加工过程动力学仿真技术研究与应用进展

数控加工过程动力学仿真技术越来越受到国内外制造业和学术界的重视与研究，是工艺参数选择和优化的前提和基础。本文以数控铣削加工过程为研究对象，对动力学仿真技术的发展和研究现状进行了论述，重点介绍了本实验室开发出的一套铣削加工过程动力学仿真优化系统。利用该系统可以对数控切削加工中的动态铣削力、主轴功率、主轴转矩、工件与刀具的振动变形等变量进行计算与仿真，基于仿真系统分析，可以准确地计算出整个加工过程的稳定切削区域，为数控切削过程工艺参数的合理有效选择提供依据和指导。     

基于加工过程动力学仿真的CNC机床工艺参数选择与应用研究

针对当前数控加工过程中工艺参数选择的不确定性,以实验室已有的数控加工系统FANUC11M-MODEL A为实验研究对象,开发出一套铣削加工过程动力学仿真优化系统.利用该系统,可以在实际数控加工前有效地预测出刀具铣削力、主轴功率、主轴转矩、工件与刀具的振动等物理量的变化.同时,基于实验模态分析,可以准确地计算出整个CNC系统的稳定切削区域,为CNC机床的工艺参数的合理、有效的选择提供了有益的指导.     

一种面向数控工艺参数优化的铣削过程动力学仿真系统研究

针对当前国内数控加工过程中工艺参数选择和优化存在的问题,在对国内外铣削过程动力学建模、仿真和优化进行深入研究的基础上,开发了一套面向数控铣削加工过程的动力学仿真优化系统。该系统以Matlab-GUIDE为软件开发平台,可以快速、有效地预测铣削加工过程中刀具的瞬时铣削力、主轴功率、主轴转矩等物理量,预测加工表面的形貌与刀具的振动情况。同时,借助于实验模态分析结果,可以准确地计算出整个系统的稳定切削区域,为数控机床工艺参数的合理、有效选择提供了有益的指导和理论依据。整个仿真系统的主要功能在多台数控加工中心上得到了成功的验证。     

北京航空航天大学机械工程及自动化学院

<正>"数控机床加工动力学特性测试分析系统(DynaCut)"与"铣削加工动力学仿真系统(SimuCut)"是面向企业数控加工应用,自主幵发的高速数控统削加工切削参数和工艺仿真优化系统,通过对工艺系统动力学特性测试及基于切削过程动力学的加工过程仿真分析,为数控加工提供高效合理的切削参数。     

基于数控铣削动力学仿真切削数据库系统的设计

数据库技术应用于金属切削领域越来越受到国内外制造业的重视.文中针对当前国内数控加工过程中加工参数的选择、存储等问题,在加工过程动力学仿真技术的基础上,开发了一套面向数控铣削动力学仿真的数据库管理系统.该系统以Microsoft.net架构开发,以微软主推的新一代网络编程语言C#实现,数据库管理软件采用SQL Server2000.可以有效地为数控加工行业提供动力学仿真优化参数,提高加工效率,系统也提供了数据维护功能,方便用户对加工参数进行修整.     

基于动力学约束的端面铣削工艺参数优化

工艺参数优化对提高切削过程的加工效率和加工成本具有重要意义。将铣削系统动力学作为主要约束条件,提出端面铣削工艺参数的多目标优化模型。基于铣削系统动力学分析,得到了综合切削稳定性、工件表面粗糙度、主轴转速、切削力、切削功率等约束的工艺参数多目标优化模型。通过调节权重系数实现优化方向的控制,并采用快速粒子群算法对工艺参数进行优化计算。工艺优化实例及试验表明,采用基于动力学约束的工艺参数优化方法可以获得较好的工艺参数优化结果。     

基于VB和MATLAB的计算机辅助刀具与工艺参数优选系统研究

本文针对切削加工过程中的刀具和工艺参数选择不合理,效率低下等问题,采用了规则推理和权重决策的方法开发了快速合理推荐刀具的模块。用考虑了工艺系统动态特性的动力学仿真技术得到的颤振稳定域、铣削力等仿真结果作为多目标工艺参数优化的约束条件,采用基因遗传多目标优化算法优化工艺参数。为了实现人机交互式操作,借助软件工程思想,运用VB和MATLAB软件混合编程技术,开发出计算机辅助刀具与工艺参数优选系统。     

主轴-切削交互过程建模与高速铣削参数优化

高速切削参数的合理选择是困扰企业的一个难题,过于保守的切削用量限制了高速机床性能的发挥和生产效率的提高.以高速铣削加工为对象,考虑高速旋转主轴的离心力和陀螺力矩效应,基于Timoshenko梁单元和Jones轴承模型建立高速主轴-刀具系统动力学模型.将主轴-刀具动态特性与高速铣削过程耦合,研究高速主轴-刀具系统动力学特性与切削过程之间交互机理,推导闭环动态铣削系统的特征方程.基于上述理论分析,提出基于主轴-切削交互过程模型的高速铣削切削参数优化方法,并应用于某型直升机的铝合金变速箱端盖加工中,通过选用最佳切削深度和主轴转速,使变速箱盖前端面内侧壁的加工效率提高了275％.     

铣削加工过程的动态稳定性极限分析

在铣削过程中,由于系统模型的非线性和复杂性,加工过程参数很难控制.利用matlab软件,对铣削过程中主轴转速和轴向极限切削深度的关系进行了仿真,分析了系统切削参数对切削稳定性的影响.由仿真结果知,轴向极限切深随着主轴转速的增大呈现周期性变化,系统径向切削参数增大使轴向极限切深变小,增大系统阻尼使轴向极限切深增大.     

基于MATLAB的高速铣削加工再生型颤振的建模与仿真

针对国内高速铣削加工工艺参数选择存在的问题,基于动态铣削力建模和颤振稳定域分析计算,以MATLAB为开发工具,得到了铣削加工再生型颤振仿真算法.通过模态锤击实验获得频响函数,利用Visio Basic软件设计了圆柱立铣刀动力学仿真系统,对整个加工系统的颤振稳定域图形进行仿真,为铣削加工切削参数选择和优化提供了理论依据.实验验证了该仿真算法的有效性和准确性,并在实际应用中取得了良好的效果.     

面向能效的多工步数控铣削工艺参数多目标优化模型

为实现数控平面铣削工艺参数和工步数的节能优化,对多工步数控平面铣削加工过程能量构成进行分析,引入机床、刀具和加工质量约束,综合考虑工艺参数和工步数的关系,建立了以主轴转速、进给量、背吃刀量、铣削宽度和工步数为优化变量,以能量效率和加工成本为优化目标的多工步数控平面铣削工艺参数多目标优化模型。应用基于自适应网格的多目标粒子群算法对模型进行求解。以某夹具多工步数控平面铣削工艺参数优化为例,验证了模型的有效性和实用性。     

钛合金铣削主轴功率高效使用技术研究

针对航空钛合金结构件数控铣削加工机床主轴功率使用率低的问题,分析了限制主轴功率使用率提高的相关因素,研究了优化过程直观的拖动式切削参数优化技术,提出了在工艺设计阶段可以预知加工全过程铣削功率的预先计算技术,基于Vericut软件的二次开发,在切削参数优化的基础上,进一步优化了数控加工的刀具轨迹。测试结果表明,提出的解决方法可以在机床不发生过载的前提下,有效地提高钛合金数控加工主轴功率的使用率。     

碳效率目标下的铣削切削参数优化研究

为了提高数控铣削加工过程的能量利用率,降低铣削加工过程中的碳排放量,基于铣削加工能耗分析的基础,建立了数控铣床能耗模型,并基于铣削工艺输入输出特性提出了铣削工艺碳排放评估函数,结合材料去除率提出碳效率概念,以此作为优化目标,并以机床主轴转速和进给量作为优化变量,考虑机床各项性能参数和工件的加工质量等约束,建立了基于碳效率的数控铣削切削参数优化模型,并通过案例,采用遗传算法对模型进行优化求解,验证了该模型的有效性。     

基于数值模型的数控加工中切削力与稳定域仿真

针对数控铣削加工工艺参数选择存在的问题,以球头铣刀高速铣削过程为研究对象,建立了考虑机床-刀具-工件系统振动的非线性动力学模型,分析了铣削力中的动态分量对切削颤振的影响,在考虑再生颤振的基础上建立非线性动力学模型.基于动态铣削力建模和颤振稳定域分析计算,提出了机床切削系统稳定性极限预测方法,并对其进行仿真分析,为铣削加...     

切削参数对高精度平面加工精度影响研究

为研究钻高速铣削加工过程中不同切削参数对高精度平面表面质量的影响,结合工艺研究优化方案,选用切削速度和进给量两种切削参数类型,运用ABAQUS有限元仿真软件在相同的边界条件及参数下,建立高精度平面的铣削加工模型,并对加工过程进行模拟仿真。得出不同切削参数下表面质量的变化和控制方案。     

基于数控铣削加工时域仿真的工艺参数优化

在瞬时刚性铣削力模型基础上,实现了铣削力、机床主轴切削扭矩和功率、刀具变形及切屑厚度的仿真,并提出了基于铣削加工过程时域仿真的加工工艺参数优化方法。实验证明该方法简单实用,有效提高了材料去除速率和机床的主轴功率利用率,从而使机床的加工效率明显提高。     

基于过程模态的薄壁件铣削稳定性实验研究

针对复杂航空薄壁结构件数控铣削时的振动问题,对薄壁件铣削时变化模态参数对加工稳定性的影响进行了实验研究。对薄壁件铣削工艺系统的动力学模型进行了推导,建立了薄壁件铣削振幅响应与工艺系统结构参数的函数关系,利用模态实验分析不同工序状态下模态参数的演变过程,揭示了铣削过程中模态刚度和模态质量的变化对模态频率的影响规律,并依据模态频率变化规律进行了最佳主轴转速范围的初选,在此基础上通过薄壁件的状态振幅响应曲线进一步优化了主轴转速取值范围,提出了薄壁件恒转速切削和变转速的可行性切削方案,利用薄壁叶片进行了工程化验证。研究结果表明:基于模态参数结合薄壁件振幅响应曲线进行最佳主轴参数选择策略是可行的,能够为薄壁件铣削时参数的合理选择提供依据。     

主轴滚子轴承铣削加工中切削深度优化量算

为了提高铣削加工的工艺水准,需要进行切削深度优化量算模型设计。提出一种基于多轴联动加工切削深度误差修正的主轴滚子轴承铣削加工中切削深度优化量算方法,采用响应面分析法构建铣削参数与主轴滚子轴承加工质量之间的数学模型,以顶隙系数、切齿深度和切削深度为目标优化参量,建立多目标优化模型,在切削速度和进给速度多轴联动约束下进行切削深度误差修正,实现主轴滚子轴承铣削加工参量的优化解算。仿真结果表明,采用该方法进行主轴滚子轴承铣削加工参量量算,加工工艺参数的全局优化性能较好,切削精度较高,加工误差收敛性较好。     

铝合金铸造壳体高速铣削参数优化研究

在铝合金铸造壳体高速铣削的条件下,通过分析机床-刀具系统动态特性(颤振)与铣削参数合理的匹配关系,进而确定主轴转速和轴向切深的稳定颤振区域,在此基础上合理地选择非颤振铣削参数,为实际生产中铣削参数的选择提供科学依据。在具体实例中,通过对数控机床主轴进行数据采集,进而对数据进行解析,然后通过软件进行颤振稳定性仿真,获得稳定性叶瓣图,分析现场的实际工况,在叶瓣图非颤振区域选择合理的铣削参数,对优化的铣削参数进行了验证。结果表明,在主轴转速8 000r/min,切宽20mm的情况下,铣削加工过程稳定,切削效率提高了700%,表面粗糙度由原来的1.6μm降低至0.8μm。     

基于动力学不确定性的重型切削工艺参数优化

针对数控重型切削加工过程的切削稳定性具有不确定性的特点,提出了在切削稳定性和机床工作能力的约束下,获得最大材料去除率的工艺参数优化方法。根据重型切削加工的工艺特点建立三维动力学模型,以机床的固有频率、阻尼比、刚度和切削力系数作为不确定因素,结合排零定理和边理论对其进行不确定性分析,获得稳健的切削稳定性叶瓣图,结合切削深度、刀具直径和刀具齿数的关系,为加工过程选择能获得最大切削深度的刀具。在此基础上,建立工艺参数优化模型,选择最佳的轴向切削深度、径向切削深度和主轴转速的组合,最后以一台加工中心上某型号发动机缸体表面的粗加工过程为例进行了验证。