考虑不同振动方向的超精密车削表面形貌建模及分析.pdf
《考虑不同振动方向的超精密车削表面形貌建模及分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《考虑不同振动方向的超精密车削表面形貌建模及分析.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、摘要院 构建了考虑不同振动方向的车削表面形貌模型,基于模型研究了理想车削、轴向振动车削、径向振动车削对车削轨迹和表面形貌的影响差异。分析了轴向振动车削工况下不同的进给速度、刀尖半径、主轴转速和背吃刀量对表面形貌的影响。研究结果表明:轴向振动车削对表面形貌影响较为显著;轴向振动车削状态下表面粗糙度随进给速度的增加而增加,随刀尖半径的增加而减小,随主轴转速的增加而减小,背吃刀量的变化对粗糙度影响不大。本研究旨在为不同振动车削仿真分析和参数优化提供理论基础。关键词院 超精密车削曰振动曰车削建模曰表面形貌曰中图分类号院 TG51文献标识码院 A文章编号院 2095 原 0926(圆园23)03 原 园
2、园06 原 园6Modeling the surface topography of ultra-precision turning consideringdifferent vibration directionsZHANG Dandan袁 LI Zhanjie袁 TAN Hui袁 ZHAN Qiyun袁 LIU Xiao渊 School of Mechanical Engineering袁Tianjin University of Technology and Education袁 Tianjin 300222袁 China 冤Abstract院This paper presents a
3、surface topography model considering different vibration directions,investigates the dif鄄ferences in turning trajectory and surface topography between the ideal turning,axial vibration-assisted turning and ra鄄dial vibration-assisted turning based on this model,and analyzes the effect of different fe
4、ed rates,tool tip radiuses,spindle speeds and back loads on the surface topography using the axial vibration-assisted turning method.The resultsshow that the axial vibration-assisted turning has a more significant effect on the surface topography.Using the axialvibration-assisted turning method,the
5、surface roughness increases with the increase of feed rate,and decreases with theincrease of tool tip radius and with the increase of spindle speed.The change of back feed has little effect on the sur鄄face roughness.This study provides a theoretical foundation for different vibration-assisted turnin
6、g simulation analysesand parameter optimizations.Key words院 ultra precision turning曰 vibration曰 turning modeling曰 surface topography考虑不同振动方向的超精密车削表面形貌建模及分析张丹丹,李占杰,谭辉,詹奇云,刘潇(天津职业技术师范大学机械工程学院,天津300222)收稿日期院 2023-04-03基金项目院 天津市自然科学基金重点项目(22JCZDJC00740).作者简介院 张丹丹(1999),女,硕士研究生,研究方向为先进制造技术.通信作者院 李占杰(1977
7、),男,讲师,博士,研究生导师,研究方向为超精密加工工艺与机理研究.超精密车削作为精密加工领域一项重要的技术,可以使工件的表面粗糙度达到纳米级别,形状精度达到微亚米级,适合用于反射镜等精密零件的制造。随着计算机技术的快速发展,超精密车削建模对超精密车削表面质量研究起着重要作用,其具有实现超精密车削加工参数优选,更好地控制和预测加工后的表面粗糙度、指导实际加工和成本低等优点1-3。国内外学者利用超精密车削建模技术,对不同的加工参数对表面粗糙度的影响进行了深入研究。Muhammad 等4对车削过程中各种加工工艺进行了车削仿真,将仿真结果应用于实际生产中,为车削工艺的改进做出了重要贡献。Zhang
8、等5建立了理论模型,探讨刀具前角与 KDP 晶体切削裂纹的关系,结果显示:采用-25毅-45毅的大负前角刀具,晶体的表面质量第 33 卷第 3 期圆园23 年 9 月天 津 职 业 技 术 师范 大 学 学 报允韵哉砸晕粤蕴 韵云 栽陨粤晕允陨晕 UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATIONVol.33No.3Sep.2023DOI:10.19573/j.issn2095-0926.202303002第 3 期最好。Ning 等6提出了一种新的表面形貌建模方法,该方法考虑了基于主动加工精度控制的规划刀具轨迹并通过对金刚石车削的实验验证了该模型的有效性。李世豪7探
9、讨了切削深度相对振动位移对表面形貌的作用机理,建立了考虑振动影响的形貌模型。谭辉8建立了车削表面形貌模型,并根据所建模型结果探究了不同加工因素对表面形貌的影响。何春雷9基于最小切削厚度建立了没有振动与有振动下的三维形貌预测模型,揭示了振动对表面形貌的影响。杨中元10建立了考虑周向、轴向和径向 3 个方向的超精密车削表面形貌仿真模型,并通过实验验证了所建模型的有效性。目前,超精密车削表面形貌理论建模研究较多,但考虑不同振动方向的研究很少。以往研究从车削机理和实验结果出发建立超精密车削表面粗糙度和表面形貌的预测模型,而本文通过车削过程中几何关系构建了考虑不同振动方向的车削表面形貌模型,对超精密车削
10、时理想车削、轴向振动车削以及径向振动车削 3 种工况下的表面形貌进行了几何建模和特征分析,运用 Matlab 软件研究了轴向振动车削情况下不同的加工因素如进给速度、刀尖半径、主轴转速和背吃刀量对表面形貌的影响。1表面形貌建模1.1理想车削状态下表面形貌建模刀尖轨迹几何建模如图 1 所示。图 1刀尖轨迹几何建模(b)刀尖轨迹离散点计算示意图(a)刀尖轨迹半径几何关系示意图yxRr兹yx兹irijLymymx1Lxi212刀具通过预设的加工参数沿主轴 x 平行方向进给形成螺旋轨迹,见图 1(a),刀具与工件之间产生相对运动使得刀具尖端轮廓映射在工件端面形成表面形貌11,f 为进给量,R 为刀尖半径
11、,这时工件轮廓的最高点与最低点之差可以表示为Rt=Rs-Rs2-(f/2)2姨(1)为了准确地将刀具尖端轮廓复映到工件端面上,需要计算各个切削点的半径和角度,建模时将刀具刀刃顶点作为参考点,通过图 1(a)从几何角度出发对不同时间下的刀尖轨迹半径 r 和角度 兹 用公式表示,可得r=R-f fnt兹=2仔 fn t嗓(2)式中:r 为刀尖轨迹半径(mm);R 为工件半径(mm);f 为进给量(mm/r);fn为主轴旋转频率;t 为加工时长(s);兹沂0,2N仔)。fn=n/60f=s/nN=R/f扇墒设设设设设缮设设设设设(3)式中:n 为主轴转速(r/min);s 为进给速度(mm/min)
12、。将公式(2)和(3)结合得到刀尖轨迹在直角坐标系 x-y 平面中的公式x=r cos(兹)y=r sin(-兹)嗓(4)为了建立表面形貌的三维模型,需对点进行离散处理,刀尖轨迹离散点示意如图 1(b)所示,图中 Lx与Ly代表 x-y 平面仿真范围,先对此范围进行网格划分,网格划分后的 mx和 my为仿真区域的精度,仿真结果与数值大小相关,当其数值越小时,仿真结果就越接近实际的表面形貌12,刀尖轨迹经过离散处理后,第(i,j)点坐标可表示为(X(i,j),Y(i,j),其表达式为X(i,j)=i mx-Lx/2Y(i,j)=j my-Ly/2嗓(5)用极坐标表示为R(i,j)=X(i,j)2
13、+Y(i,j)2姨兹(i,j)=arctan(Y(i,j)/X(i,j))嗓(6)所有刀尖轨迹点用公式表示为张丹丹袁等院 考虑不同振动方向的超精密车削表面形貌建模及分析7天 津 职 业 技 术 师范 大 学 学 报第 33 卷rk=R-f f-兹(i,j)/2 仔k沂0,N(7)对应半径的刀具切削轮廓高度计算式10hk=Rs-1-1-R(i,j)-rkRs蓘蓡2姨蓘蓡(8)理想车削状态下表面形貌公式对 hk取最小值得到z(i,j)=min(hk)(9)1.2轴向振动车削状态下表面形貌建模刀具和工件之间的相对振动频率 ftw与主轴旋转频率 fn之比为13ftwfn=If+Df(10)式中:If表
14、示为正整数;Df为小数且取值范围在(-0.5,0.5,则振动在工件相邻转数偏移量 渍 为准=2仔Df(11)振纹波长 姿s为姿s=2仔|准|f=f|Df|(12)结合式(10)、(11)和(12)得出简谐振动式为Z(t)=AZ(1-cos(2仔ftwt+渍1)(13)将式(13)叠加至轮廓高度计算式(8),则轴向振动下的表面轮廓 hk则可表示为hk=Rs1-1-R(i,j)-rkRs蓘蓡2姨蓘蓡+A1-cos If兹(i,j)+Df(2k仔+兹(i,j)(14)将式(14)代入式(9)即可得到轴向振动车削状态下的表面形貌公式。1.3径向振动车削状态下表面形貌建模在对径向振动车削状况下表面形貌进
15、行建模时,刀具切削轮廓发生剪切之后产生的最低轮廓边界构成工件表面形貌,因此对截面上刀具切削轮廓产生的结果进行计算。径向振动车削状态下的简谐振动式为14X(t)=AX(1-cos(2仔ftwt+渍2)(15)将式(15)叠加至轮廓高度计算式(8),得到径向截面轮廓式为rk=R-f f-兹(i,j)/2 仔+A1-cos If 兹(i,j)+Df(2k仔+兹(i,j)(16)将式(16)代入式(9)得到径向振动车削状态下的表面形貌公式。2MATLAB仿真分析2.1振动方向对表面形貌的影响超精密车削过程中刀具振动方向的不同会对工件表面形貌产生重要影响。为了探究振动方向对表面形貌的影响,进行 Matl
16、ab 仿真分析,计算并对比理想车削、轴向振动车削和径向振动车削工况的刀尖轨迹模型和表面形貌,仿真分析的主要计算参数为15:主轴转速 n=600 r/min,每转进给量 V=10 mm/min,刀尖半径 R=1.0 mm,背吃刀量 ap=10 滋m,振幅 A=0.02滋m,频率 f=38 Hz,初相位 渍=0。图 2 给出了车削刀尖轨迹与表面形貌仿真图。图 2车削刀尖轨迹与表面形貌仿真000.510-1-0.5(a)理想刀尖轨迹0.5-0.5000.50.020.010-0.5(b)轴向振动刀尖轨迹0.5-0.5000.531-0.50.5-0.5(c)径向振动刀尖轨迹(d)理想状态表面 三维形
17、貌仿真0.050100.100.150.200.050.100.150.200.050200.100.150.200.050.100.150.20(e)轴向振动表面三维形貌仿真0.050100.100.150.200.050.100.150.20(f)径向振动表面三维形貌仿真图 2(a)和 2(d)对应理想车削工况,图 2(b)和 2(e)对应轴向振动车削工况,图 2(c)和 5(f)对应径向振动车削工况。淤对于理想车削工况:刀尖轨迹只在x-y 平面发生变化,由于未引入 z 轴振动,因此刀尖轨迹在 z 轴方向的数值未发生改变;把刀尖看作一条圆弧曲线,当其相对于工件进行运动时,可以观察到其表面形
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 考虑 不同 振动 方向 精密 车削 表面 形貌 建模 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。