對(duì)于數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線及柔性制造系統(tǒng),有效的切屑控制是充分發(fā)揮其生產(chǎn)能力,保證生產(chǎn)順利進(jìn)行的必要前提。近年來(lái),鈦合金、不銹鋼等難加工材料由于其具有良好的機(jī)械性能和力學(xué)性能,在航空航天、汽車、兵器等領(lǐng)域中大量應(yīng)用。然而,這類材料的塑性和韌性較好,其高速高效切削加工過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生大量連續(xù)、纏亂的帶狀切屑。這種切屑體積大,不易清除,妨礙切削加工的正常進(jìn)行,容易拉傷工件的已加工表面,甚至可能威脅到機(jī)床操作者的人身安全。因此,有效的切屑控制是這類材料切削加工時(shí)亟待解決的重要問(wèn)題。調(diào)制輔助切削技術(shù)屬于振動(dòng)輔助切削技術(shù)的一類,其通過(guò)在傳統(tǒng)切削的進(jìn)給方向?qū)Φ毒呤┘宇l率、幅值均可調(diào)制的正弦振動(dòng),將原來(lái)連續(xù)的切削過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)切削過(guò)程,使刀具和工件周期性接觸與分離,并產(chǎn)生長(zhǎng)度可控的斷續(xù)切屑,從而實(shí)現(xiàn)可靠的切屑控制。此外,已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)制輔助切削在降低刀具溫度、減小刀具磨損、調(diào)控已加工表面形貌等方面也較傳統(tǒng)切削更具優(yōu)勢(shì)。然而,疊加的刀具調(diào)制使加工中的材料去除過(guò)程更加復(fù)雜,增大了其研究的難度。目前關(guān)于調(diào)制輔助切削的研究以基于實(shí)驗(yàn)的定性研究為主,缺乏系統(tǒng)、深入的基于切削過(guò)程建模的定量研究。為此,本文以調(diào)制輔助切削技術(shù)在車削中的應(yīng)用為例,研究了通過(guò)刀具調(diào)制“化車為銑”,實(shí)現(xiàn)車削過(guò)程自動(dòng)斷屑的方法,并建立了表面形貌及粗糙度、切削力、刀具溫度和刀具磨損率等調(diào)制輔助車削過(guò)程物理量的預(yù)測(cè)模型。進(jìn)一步,以預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ),通過(guò)多目標(biāo)教與學(xué)優(yōu)化算法對(duì)調(diào)制輔助車削中的主要工藝參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)控制切屑長(zhǎng)度、改善加工品質(zhì)、降低刀具磨損率、提高加工效率等目的。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:研究了調(diào)制輔助車削中的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律,分別對(duì)外圓車削及端面車削中疊加刀具調(diào)制后的切削軌跡進(jìn)行分析,推導(dǎo)出統(tǒng)一的自動(dòng)斷屑判定條件。分析了斷續(xù)切屑的長(zhǎng)度及其影響因素,從而為切屑控制提供理論依據(jù)。研究了刀具調(diào)制作用下工件已加工表面的形成過(guò)程,建立了表面形貌及粗糙度預(yù)測(cè)模型,并據(jù)此分析了工藝參數(shù)對(duì)已加工表面的影響規(guī)律。開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了切屑長(zhǎng)度及表面粗糙度預(yù)測(cè)模型的有效性。研究了調(diào)制輔助車削中刀具進(jìn)給方向的時(shí)變規(guī)律,將一個(gè)調(diào)制周期劃分為前向進(jìn)給階段和反向進(jìn)給階段,分別對(duì)應(yīng)不同的加工機(jī)制。分析了兩個(gè)階段的瞬時(shí)切削層幾何形狀及切削刃受力狀態(tài),建立了考慮工件材料、刀具幾何、切削參數(shù)及調(diào)制參數(shù)等因素的切削力解析預(yù)測(cè)模型,并通過(guò)教與學(xué)優(yōu)化算法對(duì)模型中的未知參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。在不同工藝參數(shù)下開(kāi)展了調(diào)制輔助車削測(cè)力實(shí)驗(yàn),分析了工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律,并驗(yàn)證了切削力解析預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。研究了調(diào)制輔助車削中流入刀具的熱流密度時(shí)變規(guī)律,在對(duì)刀具幾何進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化后,建立了刀具溫度解析預(yù)測(cè)模型。通過(guò)對(duì)刀具熱傳導(dǎo)過(guò)程及正交切削過(guò)程進(jìn)行有限元仿真,說(shuō)明了刀具幾何簡(jiǎn)化的合理性。開(kāi)展了調(diào)制輔助車削刀具溫度及刀具磨損測(cè)量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別直接和間接地驗(yàn)證了刀具溫度模型的有效性。根據(jù)刀具溫度模型計(jì)算得到的平均溫度及溫度波動(dòng)度,進(jìn)一步預(yù)測(cè)了刀具后刀面磨損率。研究了調(diào)制輔助車削工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化方法,以最小刀具磨損率和最大材料去除率為優(yōu)化目標(biāo),并考慮切屑長(zhǎng)度、表面粗糙度、壓電致動(dòng)器使用邊界等約束條件,基于多目標(biāo)教與學(xué)優(yōu)化算法對(duì)調(diào)制頻率、調(diào)制幅值等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,獲得了一系列用于指導(dǎo)加工的帕累托最優(yōu)解。開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析,對(duì)工藝參數(shù)優(yōu)化前后的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)定,評(píng)定結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化方法的有效性。本文所提出的調(diào)制輔助車削過(guò)程建模及工藝參數(shù)優(yōu)化方法具有普遍性,可以推廣到其它工件材料、刀具幾何及工藝參數(shù)條件下。本文研究成果可為調(diào)制輔助切削中的切屑控制、切削力控制、刀具溫度及刀具磨損控制等方面的研究提供理論依據(jù),對(duì)調(diào)制輔助切削技術(shù)的應(yīng)用和推廣具有積極作用。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG51
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 課題來(lái)源
    1.2 研究背景與意義
    1.3 國(guó)內(nèi)外研究綜述
    1.4 主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)
2 調(diào)制輔助車削運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析
    2.1 引言
    2.2 刀具切削軌跡及自動(dòng)斷屑條件分析
    2.3 切屑長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)與分析
    2.4 表面形貌/粗糙度的建模與分析
    2.5 本章小結(jié)
3 基于解析建模的調(diào)制輔助車削切削力預(yù)測(cè)與分析
    3.1 引言
    3.2 切削力解析建模方法
    3.3 模型參數(shù)的辨識(shí)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    3.4 切削力解析預(yù)測(cè)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析
    3.5 本章小結(jié)
4 基于解析建模的調(diào)制輔助車削刀具溫度預(yù)測(cè)與分析
    4.1 引言
    4.2 刀具溫度解析建模方法
    4.3 刀具溫度解析預(yù)測(cè)模型的有限元仿真驗(yàn)證
    4.4 刀具溫度解析預(yù)測(cè)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    4.5 基于溫度模型的刀具磨損率預(yù)測(cè)
    4.6 本章小結(jié)
5 基于多目標(biāo)教與學(xué)優(yōu)化算法的工藝參數(shù)優(yōu)化
    5.1 引言
    5.2 工藝參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題描述
    5.3 基于多目標(biāo)教與學(xué)優(yōu)化算法的工藝參數(shù)優(yōu)化過(guò)程
    5.4 工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果
    5.5 工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析
    5.6 本章小結(jié)
6 全文總結(jié)與工作展望
    6.1 全文總結(jié)
    6.2 工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果

【參考文獻(xiàn)】

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6 甄恒洲，吳雪松;數(shù)控車削中的切屑控制[J];組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù);1996年01期

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本文編號(hào)：2831211