基于子结构耦合的高速铣削稳定性快速判定

切削稳定性是影响高速切削加工质量与效率的重要因素，判定所选工况参数下的切削是否处于稳定区域通常采用稳定性极限图，以往常用的锤击法获取该图速度慢且工作量大，尤其是当机床系统部件更换时，必须重新进行测试。本项目以高速铣削加工为背景，针对主轴系统的组成，提出一种基于子结构耦合的机床系统频响特性快速求解技术，从而实现切削稳定性的快速判定。该方法将影响切削稳定性的主轴系统分为刀齿、刀杆、刀柄、主轴以及机床其它部件等五大子结构，分别求解其频响特性。对于刀齿采用三维有限元计算得到；刀杆和刀柄采用等效直径梁模型求解；主轴与机床其它部件则采用锤击法获取。最后通过五部分的频响特性耦合获得整机反映在刀尖点的切削稳定性极限图。当刀具或刀柄更换时，只需计算其相应的频响函数即可快速重新构建稳定性极限图，从而实现快速精确的判定。该方法可以为高速加工中工艺参数的优化提供快速解决途径。

高速/超高速加工由于具有效率高、加工精度好等优点现已逐步应用于航空航天、发电设备等行业的结构件加工上，然而影响其有效高速加工的一个主要因素就是颤振。在实际工程中为避免颤振发生的一个有效方法是借助于该机床的切削稳定性极限图来选择合适的切削参数。本项目以三轴立式铣床（加工中心）为研究对象，探索机床整机频响函数的快速获取方法，从而达到快速构建整机切削稳定性极限图的目的，实现高速铣削加工稳定性的快速判定。. 提出了快速获取整体立铣刀频响特性的等效建模方法。将其分成刀杆和刀齿两部分，分别求解其频响特性并耦合得到整体响应。对刀齿横截面采用了等面积、等惯性矩和等平均惯性矩三种原则等效处理，对比后发现等平均惯性矩法误差最小。在此基础上提出以铣刀的刀齿占总长的比例、刀齿螺旋角和刀具长径比等三参数为影响因素，对等平均惯性矩法得到的等效直径进行修正。分析结果表明刀齿占总长的比例和刀齿螺旋角是影响等效直径值的主要因素，通过回归分析方法建立了实际刀具等效直径的修正模型。. 采用Timoshenko梁理论和子结构方法快速获取了刀柄的频响特性。理论对比分析了采用一阶有限差分法和二阶有限差分法计算主轴-机床基体频响特性的差别，并用二阶有限差分法构建了主轴-机床基体的响应矩阵计算公式。采用子结构方法耦合了多种刀具-刀柄-主轴-机床系统组合的响应，通过锤击测试实验验证了耦合方法的正确性。简要分析了刀具悬长量对整机刀尖点响应的影响规律。. 通过整机刀尖点频响构建了切削稳定性极限图，分析了切削稳定性极限图的各种影响因素，提出评价整机刀尖点频响计算精度的主要参数。由机床坐标x方向和y方向的刀尖点频响计算得到实际加工路径进给方向和进给正交方向的频响，从而实现了实际加工路径的切削稳定性快速判定。构建了有切入点/切出点的刀尖振动等高线的切削稳定性极限图，得到刀尖振动较小的稳定性切削区域。在此基础上开展了切削过程的时域计算，得到切削力的频谱和加工表面的振动情况，便于判断稳定极限域附近的切削参数颤振情况。开展了多组切削参数的实验测试，验证了所构建的切削稳定性极限图的正确性。