基于薄壁工件的刚柔耦合系统稳定性分析与实验研究

Taking the spindle system of high-end CNC machine tool and thin-walled workpiece as subject investigated, the coupling model, dynamic characteristics and milling stability of rigid spindle system and flexible thin-walled workpiece is studied in depth, based on the above a new method of predicting the milling stability is proposed. The main contents include the following: The fine dynamics model of coupling system is established, including the spindle model considering the spindle-bearing, spindle-holder-tool, rail joints and the influence of speed and the thin-walled workpiece model considering the time-varying mass, stiffness and tool position, the transfer law of varying milling force is also explored; the factors affecting the rigid-flexible coupling system dynamics is studied, and the influence of all kinds of parameters is also explored qualitatively and quantitatively. Through the comparison with experimental results, the coupled model is corrected; the characterization parameters for milling stability are proposed, and a new method for predicting the milling stability of rigid-flexible coupling system is established in the end. The expected research achievements can provide theoretical and technique support for processing technology optimization of thin-walled workpiece and technical innovation of machine tool design.

项目以高档数控机床的主轴系统和薄壁工件为研究对象，深入研究在铣削加工过程中刚性的高速主轴系统与柔性薄壁工件耦合动力学建模、辨识耦合系统动力学特征参数并分析其耦合动力学机理、表征刚柔耦合系统铣削稳定性并提出高速铣削薄壁工件过程中的稳定性预测新方法，主要内容包括：建立刚柔耦合系统精细化动力学模型，包括主轴-轴承结合部、主轴-刀柄-刀具结合部、导轨结合部及考虑转速影响的精细化主轴系统模型、考虑时变质量、刚度及刀具位置等参数的薄壁工件动力学模型、探索薄壁工件时变铣削力的传递规律；研究刚柔耦合系统动力学特性的影响因素，定性及定量地探索各类参数对刚柔耦合系统的影响规律，并与实验结果进行对比，对耦合系统模型进行修正；提出刚柔耦合系统铣削稳定性表征参数，建立适用于刚柔耦合系统的铣削稳定性预测新方法。项目的预期成果对薄壁工件加工时的工艺优化及机床企业在设计时的技术革新提供理论和技术支持。

随着现代工业对产品质量要求的不断提高及航空航天设备中复杂薄壁件应用越来越广泛，高速精密加工技术的稳定性及表面质量成为研究重点。本项目以高档数控机床的主轴系统和薄壁工件为研究对象，深入研究在铣削加工过程中刚性的高速主轴系统与柔性薄壁工件耦合动力学建模、辨识耦合系统动力学特征参数并分析其耦合动力学机理、表征刚柔耦合系统铣削稳定性并提出高速铣削薄壁工件过程中的稳定性预测新方法。研究表明：主轴-轴承结合部和主轴-刀柄-刀具结合部对高速主轴切削系统精细化模型的动力性特性、非线性响应和切削稳定性具有较为显著的影响，并且对其影响规律进行了定量分析；研究了薄壁板状工件在加工过程中质量、刚度的时变特性对工件动力性特性的影响规律；提出了适用于薄壁工件加工的切削力建模方法，并通过该模型将高速主轴系统与工件进行了动力学耦合，应用该耦合模型研究了结合部特性及工件时变特性对切削稳定性的影响，并进行了实验验证；对于柔性工件在加工过程中，主轴系统与工件的动力性特性是相互影响的，并且由于工件时变特性使得整个加工系统呈现强非线性特征，因此采用分岔图和截面图来表征耦合系统稳定性比传统的极限切削深度法更为准确，以上研究对薄壁工件加工时的工艺优化及机床企业在设计时的技术革新提供理论和技术支持。