[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于殼理論的薄壁筒鏡像切削建模方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010719381.4
• 申請(qǐng)日: 2020-07-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112149239A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林濱;趙良宇;李龍興
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/17
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/17;G06F30/20
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專(zhuān)利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉子文

本發(fā)明公開(kāi)一種基于殼理論的薄壁筒鏡像切削建模方法，包括以下步驟：步驟一，對(duì)薄壁筒鏡像切削工藝系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化；將車(chē)刀等效為剛體，將鏜桿和薄壁筒等效為柔性體，其中加工對(duì)象的薄壁筒可看似一圓柱殼；擬將工件固定，忽略零件旋轉(zhuǎn)時(shí)的向心力與科里奧利力，將加工過(guò)程簡(jiǎn)化為靜止圓柱殼在旋轉(zhuǎn)力激勵(lì)下的受迫振動(dòng)；步驟二，應(yīng)用殼理論建立旋轉(zhuǎn)薄壁筒受迫振動(dòng)方程；步驟三，建立鏜桿振動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程；步驟四，建立切削工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)切削力模型；步驟五，建立薄壁筒鏡像切削動(dòng)力學(xué)模型，并利用龍格庫(kù)塔法計(jì)算求解。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬材料切削加工領(lǐng)域。特別是涉及一種基于殼理論的薄壁筒鏡像切削建模方法。

背景技術(shù)

目前，以發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和薄壁氣缸為代表的薄壁件以其重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、綜合性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。一般情況下，薄壁零件往往要求具有較高的加工精度和表面質(zhì)量，而薄壁結(jié)構(gòu)的剛度較差，在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的變形和振動(dòng)。此外，加工系統(tǒng)在一定的工作條件下會(huì)發(fā)生振動(dòng)，對(duì)加工表面質(zhì)量、刀具壽命乃至機(jī)床精度都會(huì)產(chǎn)生毀滅性的影響。因此，薄壁零件的加工過(guò)程中的穩(wěn)定性研究是十分必要的。

通過(guò)對(duì)切削工藝系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，可以通過(guò)理論計(jì)算的方式對(duì)切削工藝系統(tǒng)的加工狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，指導(dǎo)加工工藝參數(shù)的選擇，為抑振方案的實(shí)行提供理論基礎(chǔ)。

目前，對(duì)薄壁件鏡像加工的研究主要集中在銑削上，而對(duì)車(chē)削和鏜孔的研究較少。由于工件旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜模態(tài)形狀和薄壁件本身的影響，薄壁件鏡像加工系統(tǒng)的響應(yīng)更為復(fù)雜，目前已有的建模方法無(wú)法很好地表示薄壁筒件的振動(dòng)特性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于殼理論的薄壁筒鏡像切削建模方法，本發(fā)明將薄壁殼體振動(dòng)理論應(yīng)用于薄壁筒件鏡像加工工藝系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模與分析，更加準(zhǔn)確地對(duì)加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。該建模方法可以很好地表示出薄壁圓筒的振動(dòng)特性，突破了傳統(tǒng)質(zhì)量-阻尼-剛度單元與梁理論建模的局限性。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于殼理論的薄壁筒鏡像切削建模方法，包括以下步驟：

步驟一，對(duì)薄壁筒鏡像切削工藝系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化；將車(chē)刀等效為剛體，將鏜桿和薄壁筒等效為柔性體，其中加工對(duì)象的薄壁筒看成一圓柱殼；將薄壁筒工件固定，忽略薄壁筒工件旋轉(zhuǎn)時(shí)的向心力與科里奧利力，將加工過(guò)程簡(jiǎn)化為靜止圓柱殼在旋轉(zhuǎn)力激勵(lì)下的受迫振動(dòng)；

步驟二，應(yīng)用殼理論建立旋轉(zhuǎn)薄壁筒受迫振動(dòng)方程；

步驟三，建立鏜桿振動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程；

步驟四，建立切削工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)切削力模型；

步驟五，建立薄壁筒鏡像切削動(dòng)力學(xué)模型，并利用龍格庫(kù)塔法計(jì)算求解。

進(jìn)一步的，步驟二具體如下：

根據(jù)Love殼理論，建立旋轉(zhuǎn)薄壁筒受迫振動(dòng)方程：

將薄壁筒看似一圓柱殼，圓柱殼受迫振動(dòng)方程如下：

其中c為等效阻尼系數(shù)，ρ為材料密度，P是外部激勵(lì)，L是Love算子，表達(dá)為：

其中，U為圓柱殼表面質(zhì)點(diǎn)的三維振動(dòng)位移，P為作用于圓柱殼表面的三向作用力，即外部激勵(lì)；z、θ為圓柱殼上質(zhì)點(diǎn)的位置，t為時(shí)間；L算子的具表達(dá)式如下：

其中，E為楊氏模量，μ為泊松比，為圓柱殼的薄膜剛度，為圓柱殼的彎曲剛度，其中H為圓柱殼的厚度；

振動(dòng)U的解析解可表達(dá)為軸向梁函數(shù)與周向三角函數(shù)的組合，如下所示：