高档数控机床是实现工业现代化的重要基础装备和保证国防与尖端工业发展的战略物资。高档数控机床必需具备良好的动态特性,这一特性能够提供高的切削速度和满足高速切削加工,从而保证零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。高速铣床作为高速机床中的一种重要的切削设备,在现代的经济发展和国际竞争中发挥着重要的作用。而其在金属切削过程中发生的再生颤振问题更是不可忽视。 金属切削过程中发生的再生颤振是一种典型的由于振动位移延时反馈所导致的动态失稳现象,也是金属切削机床发生自激振动的主要机制之一。颤振会恶化被加工零件的表面质量,影响零件的使用性能并缩短其寿命,使机床和夹具的有关部位加速磨损、松动、丧失精度。颤振问题成为机械加工中限制生产率提高的主要障碍之一。所以,研究高速铣床切削再生颤振问题是一个具有实际工程背景的问题。本课题主要研究高速铣床切削再生颤振的非线性动力学。 本文研究了高速铣床切削加工系统的复杂非线性动力学特性。首先根据高速铣床切削加工系统的铣削过程,主要考虑主轴转速、切削厚度变化对再生颤振的影响,同时考虑了切屑和铣刀前刀面之间的干摩擦力,首次给出了切削力的表达式。然后利用牛顿运动定律建立了高速铣床切削加工系统的非线性时滞运动微分方程。接着对运动方程进行无量纲化,得到系统的无量纲运动方程,利用多尺度方法对运动控制方程进行摄动分析,得到系统在基本参数共振-主共振-1:1内共振和主参数共振-1/2亚谐共振-1:1内共振两种情况下的平均方程。最后运用Matlab软件对平均方程进行数值仿真,模拟了系统的平面相图、波形图、三维相图和频谱图,发现随着控制参数的变化,系统存在周期运动、多倍周期运动和混沌运动。论文的研究内容和创新点有以下几个方面。 首先,建立了高速铣床切削加工系统的再生型颤振的非线性动力学模型,利用牛顿运动定律,通过计算非线性切削力得到高速铣床切削加工系统的动力学方程。在计算切削力时,本文考虑了刀具运动轨迹的几何非线性,切屑和刀具前刀面之间的干摩擦和位移的延迟项对切削力的影响。然后,对运动时滞微分方程进行无量纲化,得出系统的无量纲运动方程。 其次,针对所得到的高速铣床切削加工系统的无量纲运动方程,利用一阶多尺度方法对该系统进行摄动分析,得到了系统在基本参数共振-主共振-1:1内共振情况下的平均方程。运用Matlab软件对高速铣床切削加工系统的平均方程进行数值仿真,发现系统随着控制参数的变化,存在1倍周期运动、2倍周期运动、3倍周期运动、多倍周期运动和混沌运动。 分析高速铣床切削加工系统在1/2亚谐共振-1:1内共振情况下的非线性动力学,利用一阶多尺度方法对无量纲运动方程进行摄动分析,得到了系统的平均方程。运用Matlab软件对高速铣床切削加工系统的平均方程进行数值仿真,发现系统随着控制参数的变化,存在1倍周期运动、2倍周期运动、3倍周期运动、多倍周期运动和混沌运动。最后,研究时滞因素对两种不同共振情形下的平均方程的影响。根据基本参数共振-1:1内共振和1/2亚谐共振-1:1内共振情况下的平均方程,运用Matlab软件调节时滞参数τ1和τ2,将系统在上述两种共振关系下不含有时滞参数的情况与含有时滞参数的情况进行对比。研究结果表明时滞参数τ1和τ2对高速铣床切削加工系统的运动位移和速度会产生很大影响。