對于數(shù)控機床、自動生產(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)順利進行的必要前提。近年來,鈦合金、不銹鋼等難加工材料由于其具有良好的機械性能和力學性能,在航空航天、汽車、兵器等領域中大量應用。然而,這類材料的塑性和韌性較好,其高速高效切削加工過程中往往會產(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行,容易拉傷工件的已加工表面,甚至可能威脅到機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亟待解決的重要問題。調制輔助切削技術屬于振動輔助切削技術的一類,其通過在傳統(tǒng)切削的進給方向對刀具施加頻率、幅值均可調制的正弦振動,將原來連續(xù)的切削過程轉變?yōu)閿嗬m(xù)切削過程,使刀具和工件周期性接觸與分離,并產(chǎn)生長度可控的斷續(xù)切屑,從而實現(xiàn)可靠的切屑控制。此外,已有實驗結果表明調制輔助切削在降低刀具溫度、減小刀具磨損、調控已加工表面形貌等方面也較傳統(tǒng)切削更具優(yōu)勢。然而,疊加的刀具調制使加工中的材料去除過程更加復雜,增大了其研究的難度。目前關于調制輔助切削的研究以基于實驗的定性研究為主,缺乏系統(tǒng)、深入的基于切削過程建模的定量研究。為此,本文以調制輔助切削技術在車削中的應用為例,研究了通過刀具調制“化車為銑”,實現(xiàn)車削過程自動斷屑的方法,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制輔助車削過程物理量的預測模型。進一步,以預測模型為基礎,通過多目標教與學優(yōu)化算法對調制輔助車削中的主要工藝參數(shù)進行多目標優(yōu)化,以實現(xiàn)控制切屑長度、改善加工品質、降低刀具磨損率、提高加工效率等目的。本文的主要研究內容如下:研究了調制輔助車削中的運動學規(guī)律,分別對外圓車削及端面車削中疊加刀具調制后的切削軌跡進行分析,推導出統(tǒng)一的自動斷屑判定條件。分析了斷續(xù)切屑的長度及其影響因素,從而為切屑控制提供理論依據(jù)。研究了刀具調制作用下工件已加工表面的形成過程,建立了表面形貌及粗糙度預測模型,并據(jù)此分析了工藝參數(shù)對已加工表面的影響規(guī)律。開展了相關實驗研究,驗證了切屑長度及表面粗糙度預測模型的有效性。研究了調制輔助車削中刀具進給方向的時變規(guī)律,將一個調制周期劃分為前向進給階段和反向進給階段,分別對應不同的加工機制。分析了兩個階段的瞬時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)及調制參數(shù)等因素的切削力解析預測模型,并通過教與學優(yōu)化算法對模型中的未知參數(shù)進行辨識。在不同工藝參數(shù)下開展了調制輔助車削測力實驗,分析了工藝參數(shù)對切削力的影響規(guī)律,并驗證了切削力解析預測模型的準確性。研究了調制輔助車削中流入刀具的熱流密度時變規(guī)律,在對刀具幾何進行一定程度的簡化后,建立了刀具溫度解析預測模型。通過對刀具熱傳導過程及正交切削過程進行有限元仿真,說明了刀具幾何簡化的合理性。開展了調制輔助車削刀具溫度及刀具磨損測量實驗,實驗結果分別直接和間接地驗證了刀具溫度模型的有效性。根據(jù)刀具溫度模型計算得到的平均溫度及溫度波動度,進一步預測了刀具后刀面磨損率。研究了調制輔助車削工藝參數(shù)多目標優(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,并考慮切屑長度、表面粗糙度、壓電致動器使用邊界等約束條件,基于多目標教與學優(yōu)化算法對調制頻率、調制幅值等工藝參數(shù)進行優(yōu)化,獲得了一系列用于指導加工的帕累托最優(yōu)解。開展了相關實驗研究,通過對實驗結果進行灰色關聯(lián)分析,對工藝參數(shù)優(yōu)化前后的優(yōu)劣進行評定,評定結果驗證了優(yōu)化方法的有效性。本文所提出的調制輔助車削過程建模及工藝參數(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),對調制輔助切削技術的應用和推廣具有積極作用。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG51
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 課題來源
    1.2 研究背景與意義
    1.3 國內外研究綜述
    1.4 主要研究內容及創(chuàng)新點
2 調制輔助車削運動學建模與分析
    2.1 引言
    2.2 刀具切削軌跡及自動斷屑條件分析
    2.3 切屑長度的預測與分析
    2.4 表面形貌/粗糙度的建模與分析
    2.5 本章小結
3 基于解析建模的調制輔助車削切削力預測與分析
    3.1 引言
    3.2 切削力解析建模方法
    3.3 模型參數(shù)的辨識及實驗驗證
    3.4 切削力解析預測模型的實驗驗證與分析
    3.5 本章小結
4 基于解析建模的調制輔助車削刀具溫度預測與分析
    4.1 引言
    4.2 刀具溫度解析建模方法
    4.3 刀具溫度解析預測模型的有限元仿真驗證
    4.4 刀具溫度解析預測模型的實驗驗證
    4.5 基于溫度模型的刀具磨損率預測
    4.6 本章小結
5 基于多目標教與學優(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)化問題描述
    5.3 基于多目標教與學優(yōu)化算法的工藝參數(shù)優(yōu)化過程
    5.4 工藝參數(shù)優(yōu)化結果
    5.5 工藝參數(shù)優(yōu)化結果的實驗驗證與分析
    5.6 本章小結
6 全文總結與工作展望
    6.1 全文總結
    6.2 工作展望
致謝
參考文獻
攻讀博士學位期間取得的研究成果

【參考文獻】

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本文編號：2831211