具有非光滑、时滞非线性作用的高速铣削系统动力学研究

高速铣削加工作为先进制造技术之一，在航空航天、汽车工业、造船和模具加工等产业具有广泛的应用。在高速铣削加工中，其径向铣削率很低，切削过程具有间断性，切削力为未变形切屑厚度的非连续、非光滑函数，高速铣削系统为一具有时变系数的非光滑、非线性时滞系统，其动力学行为异常复杂。因此，对高速铣削系统的动力学研究也备受关注并极具挑战性。本课题采用Hertz接触力模型，建立一个具有动态刚度的高速铣削过程动力学方程，将非光滑系统动力学和时滞系统动力学结合起来，利用非连续Poincaré映射和Floquet理论，采用理论、数值模拟和实验相结合的方法，研究在非光滑、时滞非线性耦合作用下的高速铣削系统的稳定性切换机制、分岔类型，揭示铣削系统的动态行为及其演变规律，为实现高速、高效、高精度铣削加工提供理论基础。

高速铣削加工作为先进制造技术之一，在航空航天、汽车工业、造船和模具加工等产业具有广泛的应用。铣削加工过程中的振动问题是约束其加工质量和效率的一个主要因素。振动不仅会降低刀具使用寿命，工件加工质量，严重时甚至会引起颤振和整个加工系统的不稳定。在高速铣削加工中，其径向铣削率很低，切削过程具有间断性，切削力为未变形切屑厚度的非连续、非光滑函数，高速铣削系统为一具有时变系数的非光滑、非线性时滞系统，其动力学行为异常复杂，对其进行振动分析与控制研究一直是个热点和难点问题。针对这个问题，本研究开展了以下三方面内容并取得成果如下：.1、.基于几何学、运动学、动力学，建立了数控机床高速电主轴的动力学方程，并将主轴变刚度支撑和RCSA导纳耦合分析法相结合，得到了不同转速和轴向预紧力下刀具端点处的频响函数，利用非连续Poincaré映射和Floquet理论，采用理论、数值模拟和实验相结合的方法，分析了动态刚度和高阶动态模态参数对铣削过程稳定性的影响，研究了非光滑、时滞非线性耦合作用下的高速铣削系统的稳定性切换机制、分岔类型，揭示铣削系统的动态行为及其演变规律；.2、.运用H∞的鲁棒混合灵敏度法，设计了主动减振控制器。将该控制器加入铣削模型之中，仿真和实验结果证明了该控制方法在铣削颤振抑制方面的有效性和鲁棒性，扩大了稳定铣削区域；.3、.利用离散法将时滞切削微分方程离散为有限维的差分方程，根据线性二次型最优控制原理设计了时滞控制器。时域仿真计算表明，本研究所设计控制器能够有效保证闭环系统的稳定性，即便控制律中包含某些不能使系统稳定的时滞项；且适用不同转速下的切削加工控制，能够有效提高切削稳定区域。.4、.针对薄壁件铣削刚度随刀具加工点位置不断变化且多模态耦合作用的特点，建立刀具—工件铣削系统的多模态、变刚度动力学方程。针对频域解析法不能考虑铣削过程中非线性因素的影响，采用直接时域积分和庞加莱截面相结合判断系统稳定性。构建立了薄壁梁的关于进给位置、转速和轴向切深的三维稳定极限图。并分析了转速和进给位置构成的二维平面中，不同阶模态各自起主导作用的区域。. 本项目已完成论文7篇，其中SCI论文发表 3篇， EI论文2篇，国内核心1篇，参加国内外会议,5人次。培养硕士生5人，本科生1人，在读博士2人。另两篇国际期刊论文已投稿。