【摘 要】
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过程阻尼效应广泛存在于切削加工过程中,被认为主要来源于刀具后刀面和工件已加工表面波纹之间的相互作用,其对切削动力学和颤振稳定性有着重要影响,特别是能提升低速区域的稳定性,因而对于提升航空材料（如铝合金、钛合金、镍基高温合金等）低速下的加工效率有着积极作用;同时过程阻尼效应也会影响切削力的大小,考虑它的影响会有利于提高切削力的预测精度。过程阻尼建模和辨识工作一直以来都是金属切削颤振稳定性领域中的研究
【基金项目】
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国家自然科学基金优秀青年科学基金项目“数字化制造与数控加工技术”（项目号:51722505）； 国家自然科学基金:“叶片高速切削的刀具-工件交互过程阻尼和非线性动力学研究”（项目号:51775211）； 数字制造装备与技术国家重点实验室专项资金；
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过程阻尼效应广泛存在于切削加工过程中,被认为主要来源于刀具后刀面和工件已加工表面波纹之间的相互作用,其对切削动力学和颤振稳定性有着重要影响,特别是能提升低速区域的稳定性,因而对于提升航空材料（如铝合金、钛合金、镍基高温合金等）低速下的加工效率有着积极作用;同时过程阻尼效应也会影响切削力的大小,考虑它的影响会有利于提高切削力的预测精度。过程阻尼建模和辨识工作一直以来都是金属切削颤振稳定性领域中的研究难点。由于缺乏实际评估过程阻尼的模型,通常在颤振稳定性分析中忽略过程阻尼的影响,导致加工稳定性预测不准确,难以有效的利用过程阻尼效应指导航空材料高效加工,制约着航空发动机零件制造效率的提升。为深入评估过程阻尼效应对切削稳定性的影响,本文基于压入效应对切削加工中的过程阻尼进行了建模,对过程阻尼的模型参数开展了实验辨识研究,同时对考虑过程阻尼的稳定性进行了预测,从机理建模、实验辨识和稳定性预测上全面系统地分析过程阻尼对颤振稳定性的影响。本文取得了如下创新性成果:1.后刀面压入效应是过程阻尼的主要来源,而压入体积是影响压入效应的关键因素。运用解析积分方法和数值积分方法,建立了改进的考虑后刀面磨损的压入体积计算方法,提高了压入体积的计算效率;同时分析了由过程阻尼非线性引起的三种切削状态,建立了三种切削状态的稳定性预测算法,改进的压入体积计算方法提升了考虑过程阻尼的稳定性计算效率。2.针对有刀刃半径刀具的车削工况,提出了后刀面压入体积计算的半解析方法,基于能量平衡法则,揭示了压入体积和等效过程阻尼系数之间的关联规律,建立了有限振幅状态下的过程阻尼模型,实现了有限振幅状态下稳定性预测的精确高效计算,从而避免了基于小幅值振动假设条件的过程阻尼解析建模方法计算稳定性的保守性,克服了数值建模方法计算稳定性的低效性。3.针对有刀刃半径刀具的铣削工况,分析了振动速度改变剪切力方向对过程阻尼的影响,构建了基于小幅值振动假设下的后刀面压入体积的解析计算方法,基于能量平衡法则,提出了等效过程阻尼系数的解析表达,从而建立了综合考虑速度效应和压入效应的过程阻尼模型;基于全离散方法实现了集成等效过程阻尼系数的铣削稳定性准确预报,从而改进了小幅值振动条件下的稳定性预测结果。4.分析了再生效应对过程阻尼参数的影响,自行设计能够避免再生效应的螺旋型工件来准确辨识过程阻尼参数,并在稳态切削实验中利用运行模态分析方法对过程阻尼系数进行了辨识计算;基于加工稳定性实验对压入力系数的准确性进行了验证研究;同时实验研究了有限振幅状态下切削振动幅值和工件表面粗糙度的关系,为提升加工表面质量提供了指导。
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