基于隐式Adams方法的螺旋曲面铣削系统稳定性预测研究EI北大核心CSCD

针对螺杆转子铣削过程中的铣削系统稳定性进行研究。首先通过模态试验获取刀具的模态参数。其次,根据盘铣刀铣削螺杆转子曲面原理建立三自由度铣削力模型和以线性时滞微分方程表示再生型颤振影响的铣削加工动力学模型,并对刀齿铣削周期进行离散。然后,提出基于隐式Adams对螺旋曲面铣削系统稳定性进行预测的方法,在利用隐式Adams方法对动力学方程进行数值求解的基础上,依据Floquet理论判断系统的稳定性,获得螺旋曲面铣削系统的稳定性叶瓣图。最终,根据稳定性叶瓣图选取加工参数进行试验,验证隐式Adams方法在螺旋曲面铣削系统的适用性。试验结果表明:数值求解结果与试验结果吻合程度较高,即采用的隐式Adams方法适用于螺旋曲面铣削系统的稳定性预测。     

基于隐式Adams方法的螺旋曲面铣削系统稳定性预测研究

针对螺杆转子铣削过程中的铣削系统稳定性进行研究。首先通过模态试验获取刀具的模态参数。其次,根据盘铣刀铣削螺杆转子曲面原理建立三自由度铣削力模型和以线性时滞微分方程表示再生型颤振影响的铣削加工动力学模型,并对刀齿铣削周期进行离散。然后,提出基于隐式Adams对螺旋曲面铣削系统稳定性进行预测的方法,在利用隐式Adams方法对动力学方程进行数值求解的基础上,依据Floquet理论判断系统的稳定性,获得螺旋曲面铣削系统的稳定性叶瓣图。最终,根据稳定性叶瓣图选取加工参数进行试验,验证隐式Adams方法在螺旋曲面铣削系统的适用性。试验结果表明：数值求解结果与试验结果吻合程度较高,即采用的隐式Adams方法适用于螺旋曲面铣削系统的稳定性预测。     

多齿铣刀侧铣加工多层CFRP铣削力的建模与仿真

由于碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的层间结合强度较低,进行切削加工时在切削力的作用下容易出现分层和毛刺等质量缺陷。因此,通过对切削力的预测与控制可以有效提高加工质量。采用瞬时刚性力模型对多齿铣刀侧铣多层CFRP材料的加工过程进行铣削力建模与仿真,分析了多齿铣刀特有的几何结构对切削力的影响。试验中保持切削速度恒定,以不同进给速度分别对45°、0°、-45°和90°这4种典型纤维方向的单向CFRP进行侧铣加工,通过测得的切削力数据计算各自的铣削力系数。根据力学矢量叠加原理得到了多向CFRP铣削力系数的简化计算表达式,最后将计算结果代入铣削力模型得到了各时刻的铣削力仿真值。在同样的试验条件下对该多向CFRP进行侧铣加工验证试验,试验结果表明: 该模型能较好地预测铣削力,最大相对误差小于9%,平均相对误差小于5%,可为铣削参数优化和刀具结构优化提供理论基础。     

基于瞬时铣削力系数法的拼接模具铣削稳定性研究

在拼接模具铣削过程中,由于拼接过缝处硬度差的影响致使铣削力发生突变并加剧振动,进而降低工件表面质量和刀具的使用寿命。针对上述问题本文首先建立了拼接过缝区域的切屑厚度模型,分析了切屑厚度与铣削力系数的关系;然后运用基于Runge-Kutta法的全离散法求解铣削动力学方程,由于瞬时铣削力系数随切削参数的变化而变化,故基于该方法可获得上限和下限的多条稳定性预测曲线,并利用最小包络法形成上、下限的带状区域作为最终的稳定边界;最后综合运用时域、频域分析来验证铣削稳定性预测曲线的准确性。提出的稳定性预测模型可以为大型汽车覆盖件铣削加工过程提供理论参数依据,并解决铣削拼接处冲击载荷引起的振动问题。     

基于主轴系统电机电流信号监测铣削力的研究

针对高速干切数控螺旋锥齿轮铣齿机存在的稳定性差、加工精度低、所加工的工件齿面有振纹等技术问题,对机床进行了深入的研究。通过研究发现铣削力是机床运行状态和加工品质的重要表征参数。基于国产高速干切数控螺旋锥齿轮铣齿机的实际铣齿工况,提出了采用同时监测刀具主轴和工件主轴电机电流来反映铣削力的间接测量方法。为了建立刀具主轴电机电流与铣削力间的模型,从分析机床的主轴系统入手,建立了刀具主轴系统运动学模型;利用双轴力矩电机电流监测法,对电流信号进行时频分析,并采用数值分析的方法对电机电流信号进行处理,对刀具主轴系统运动学模型中的待定参数进行了标定,建立了主轴系统电机电流信号与铣削力间的模型。利用该模型,可实时监测机床刀具主轴的铣削力,为机床结构的优化设计和加工工艺参数的改进提供了数据支持。     

碳纤维增强复合材料螺旋铣孔切削力及加工质量研究

针对传统钻孔方法加工复合材料时易导致分层、撕裂等缺陷的问题,采用螺旋铣作为新的制孔技术,根据飞机装配现场的实际加工条件,构建以机器人为移动载体、螺旋铣孔终端执行器为加工单元、螺旋铣孔专用刀具为切削工具的加工系统,采用该加工系统对碳纤维增强复合材料(CFRP)螺旋铣孔关键工艺参数进行正交试验,并讨论了刀具主轴转速、每齿进给量和轴向切削深度等工艺参数对切削力的影响规律;通过对加工缺陷的监测,探讨了切削力与CFRP分层、撕裂等缺陷之间的关系;最后对工艺参数进行优化,经试验验证,优化后轴向切削力较优化前降低26%以上,孔入口及出口处均无撕裂、毛刺,加工质量最优。     

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。     

严重段塞流引起的海洋立管振动响应

基于改进的严重段塞流瞬态数学模型和平面刚架理论,建立严重段塞流海洋立管耦合振动数学模型,对数学模型进行求解,研究了严重段塞流引起的海洋立管振动响应。数值模拟过程中,采用欧拉法计算严重段塞流流动参数,利用Galerkin法对立管结构动力学方程进行有限元离散,Newmark-β法求解离散方程。为了提高计算效率和精度,采用了变时间步长逐步积分方案。将数值模拟结果与实验数据进行对比,验证了数学模型和数值方法的准确性。对严重段塞流引起的立管系统位移响应、内力和支承力变化进行了深入分析。结果表明:立管系统的振动响应、内力变化规律与严重段塞流的周期性特征密切相关;弹性基础可以极大降低管道结构的振动幅度及内力,尤其是下倾管的弯曲内力;上升管的高频振动幅度较大,轴力和弯曲内力变化也较大。严重段塞流引起海洋立管振动响应的分析对海洋立管设计及其支承防护具有重要的指导意义。     

虚拟五轴侧铣加工过程建模与仿真分析

提出一种面向五轴侧铣加工的球头刀几何与力学模型,利用该综合模型可对复杂曲面加工进行几何仿真与切削力预测,对加工过程进行速度规划．切削工件几何模型采用深度元素法,通过与刀具模型之间的布尔操作实现材料去除过程,通过分析刀具与工件接触区域,得到刀具在不同瞬时的轴向范围及沿轴向各微元的切入角和切出角,转换为铣削力模型所需的几何信息．采用序列二次规划法优化进给速度,使机床工作在多个约束条件的最大潜能值内．整个规划过程随刀具与工件接触区域的变化而不断优化,研究工作为五轴侧铣加工过程提供了有力的分析工具．双叶片五轴侧铣加工仿真实验表明,在满足叶片精度条件下,采用优化进给速度可使零件加工效率提高约40%．     

混合弹流润滑下内啮合直齿轮动态特性磨损退化研究

针对现有磨损计算方法难以求解混合弹流润滑下内啮合齿轮磨损的问题,提出了黏着磨损与弹流润滑耦合的计算模型。根据弹流润滑理论计算油膜刚度,并将油膜刚度、齿面接触刚度以及承载系数结合构建了混合弹流润滑条件下的综合刚度模型以完善动力学模型。为深入分析混合弹流润滑下动态啮合力与磨损量之间的关系,将累加的磨损量作为齿侧间隙代入到动力学模型中,最终得到不同啮合次数下的动态啮合力和磨损量。考虑动态啮合力与润滑的影响能够呈现静态干摩擦中所没有的啮合动态冲击特性。计算结果表明:进入段的磨损量大于退出段的磨损量;动态啮合力会随着磨损量的增加,在进入段增大,在退出段减小;在磨损初期动态啮合力会随着磨损量增加迅速收敛;油膜刚度对动态啮合力较为敏感,而不会受初期磨损的影响;综合刚度与承载系数在初期磨损时不会变化。     

动力学方程的解析逐步积分法

提出了求解动力学方程的一个新型的逐步积分法。基于动力学方程的解析齐次解,构造出动力学方程解的一般积分表达式,借助于显式、自起动、预测－校正的单步四阶精度的积分算法,离散方程右端的等价荷载项,给出了一个新的解析逐步积分方法格式。如果用分块求解,其刚度阵、质量阵等将有较小的规模,将使计算效率更高。算例表明本文方法比中心差分法、Ｎｅｗｍａｒｋ、Ｗｉｌｓｏｎ－θ、Ｈｏｕｂｏｌｔ法等有较高的精度,本文结果更接近解析解。本文方法也适用于非线性,因为本计算格式是显示,因此不需要迭代求解。     

超声铣削C/C复合材料铣削力的理论建模

在平面立铣刀轴向施加纵向超声振动,对超声铣削C/C复合材料的铣削力进行解析。考虑C/C复合材料的层状结构模型和立铣刀的几何模型,以及铣削加工中铣刀旋转为主运动的运动特征,运用斜角切削理论、等效平面和二维正交切削圆的理论对超声振动辅助铣削C/C复合材料的铣削力进行建模,获得了超声铣削中的等效平面角的变化规律。并通过数值模拟与实验讨论了超声辅助铣削加工C/C复合材料时随刀具旋转角度变化的铣削力特征。实验结果表明:铣削力的理论曲线的波形变化趋势与实际测得的铣削力的趋势一致。     

预测铣削稳定性的Hamming线性多步法

针对铣削加工过程中产生的振动现象,提出了一种Hamming线性多步法(HAMM)来预测铣削加工过程中的稳定性。考虑再生颤振的铣削加工动力学方程可以表示为时滞线性微分方程,将刀齿周期划分为自由振动阶段和强迫振动阶段,对强迫振动阶段进行离散,运用HAMM方法构建状态传递矩阵,利用Floquet理论,判定系统的稳定性,获得系统的稳定性叶瓣图。Matlab软件仿真结果表明,HAMM方法是预测铣削稳定性的一种有效方法。随着离散数的增加,HAMM方法的收敛速度要快于一阶半离散法(1st-SDM)和二阶全离散法(2nd-FDM),离散数较少的HAMM方法能达到和离散数较多的1st-SDM方法和2nd-FDM方法的局部离散误差。此外,在单自由度和双自由度动力学模型下,由三种方法的稳定性叶瓣图可以看出,HAMM方法预测铣削稳定性的精度均好于1st-SDM方法和2nd-FDM方法,计算效率远远高于1st-SDM方法和2nd-FDM方法。实验结果表明,HAMM方法是一种有效的预测铣削稳定性的方法。     

动环补偿型液膜密封三自由度动力学响应特性分析

密封环角偏差及转轴轴向振动直接影响液膜密封的动态追随性,以工程中常见的动环补偿型螺旋槽液膜密封为例,分析补偿环的动力学响应特性。建立液膜密封三自由度动力学分析模型,采用有限差分法离散计入挤压效应项雷诺方程,与膜厚方程、轴向及角向动力学方程组联立,求解补偿环中心位移及X向、Y向角偏差的响应特性。结果表明:轴向激励造成补偿环发生轴向正弦波动,但波动幅度仅为激励振幅的3. 16%;轴向激励对补偿环角向响应无影响;随偏差值的增大,静环固定角偏差及动环初始角偏差对补偿环轴向响应的影响越发凸显;动环能够对静环保持良好的角向追随性,动环初始角偏差将造成动环自身发生角振动。     

钢悬链线输流立管顶部浮体激励非线性响应研究

钢悬链线立管在上部附体激励作用下的动力响应在立管的性能化设计中是非常重要的。本文作者考虑钢悬链线立管轴向大应变的特性以及弯曲刚度和内流的影响,利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论建立了立管的二维动力学模型。将外部流体的非线性作用力用Morison方程表示,通过Hermite插值函数对动力学方程进行离散,采用平均加速度法求解立管的动力响应。探讨了弯曲刚度的存在、内流流动和外部流体的非线性作用力对立管受浮体激励顺流向动力响应的影响。     

加工螺旋状罗茨转子成形铣刀的计算

具有螺旋状转子的罗茨真空泵,由于运转的平稳,在增压器和造纸工业上被广泛在用。其转子的加工,除靠模仿形刨削、压削加工外,国内大多数厂是采用成形刀具在“万铣”或专用机床上铣削。由于转子的端面型线复杂,精度要求较高,对刀具设计带来一定困难。本文用数学分析方法推导了加工螺旋而成形铣刀的接触方程,及其求解通式,并以我厂制造的罗茨转子成形铣刀为例,用电子计算机求出了刀具齿形的坐标点。 一、解析理论 没坐标平面X1O1y1为螺旋转子的端截面(图1)。其端面型线的参数方程可表示为: 式中t为参变量。 则右旋螺旋面见(图O在坐标系(x;,;z…     

考虑弹丸与身管轴向运动耦合的火炮系统时变动力学分析

将火炮发射系统简化为移动质量作用下的轴向运动悬臂梁，基于伯努利-欧拉梁理论和广义Hamilton原理，推导了考虑梁内张力的轴向运动梁振动方程。采用变量替换的方法把时变振动方程转换为固定区域的变系数微分方程。再用假设模态法和Galerkin法对控制微分方程进行空间离散求解。利用高精度时间有限元求解该时变方程，用两个算例验算振动方程的准确性。最后数值模拟移动弹丸对身管横向振动的影响。     

考虑后刀面磨损及过缝冲击的拼接模具铣削力建模与实验研究

针对拼接模具铣削过程中刀具易磨损引起铣削力变化的问题,对拼接模具铣削加工过程,提出了一种考虑球头刀后刀面磨损的铣削力建模方法。根据材料硬度的不同,把每一切削周期的切削厚度建成有关切削角度的函数关系,得到不同切削角度下的剪切力模型;同时将后刀面的摩擦效应力与后刀面磨损量建立函数关系,进而得到了不同切削角度下的摩擦效应力模型;最后通过引入单自由度斜体碰撞模型,采用等效弹簧阻尼法和霍普金森实验得到了冲击力模型。结合剪切力模型、摩擦效应力模型与冲击力模型得到了考虑后刀面磨损的拼接过缝处铣削力模型,最后对多硬度淬硬钢进行了铣削力实验。实验结果表明预测的铣削力幅值和变化趋势与实验值具有很好的一致性,验证了该铣削力建模方法的有效性,对拼接模具铣削加工工艺优化具有一定的理论指导意义。     

基于机床刀具加工变形研究的铣削工艺参数优化方法

针对机床刀具变形影响加工精度问题,据铣床刀具系统动刚度测量计算及铣削力模型提出基于遗传算法的铣削工艺参数优化方法。通过阶跃响应实验获得机床刀具系统动刚度及用正交实验法可准确铣削力模型,对实验机床铣削工件工艺参数进行数学优化;开发设计在线测量刀具变形及铣削力实验装置并分别对优化前后工艺参数实验验证,结果已证明该方法的有效性、实用性。     

薄壁结构件铣削加工振动稳定性分析

针对如何考虑刀具与工件相互耦合作用及加工位置对系统稳定性影响,通过对切屑厚度、铣削力建模,建立薄壁件铣削系统动力学模型,考虑薄壁件铣削稳定性受铣削位置影响,获得以轴向铣削深度、转速、铣削加工位置为参数的三维稳定性图。通过对曲面图分析,可确定在不同主轴转速、不同铣削区域内薄壁件各模态对铣削稳定性影响。通过时域模拟分析加工位置对系统失稳机制影响,揭示稳定铣削与不稳定铣削、不同模态在不稳定铣削时铣削力、铣削位移的变化规律。