机床动力学特性测试与仿真实验报告

机床动力学特性测试与仿真实验报告

机床动力学特性测试与仿真实验

课程作业

学院名称

机械工程及自动化学院

专业名称

机械制造及其自动化

小组成员

任课教师

实验目的

为实现数控加工的节能增效，提高产品加工效率的目标，结合自身实验条件，分别对实验室的机床刀具系统进行动态特性测试与仿真实验，获取切削颤振稳定域，为实际切削加工参数选择提供科学依据。

通过对机床-刀具系统进行锤击实验，采集冲击与响应信号通过cutpro软件的FFT模块处理分别得到特定刀具在x方向的频响函数。在此基础上，还可以利用正交多项式模态参数整体拟合法获得工艺系统的模态参数，还可以获得工艺系统的模态参数。这些频响函数或模态参数是进行铣削加工和颤振稳定性仿真所必需的，可以用它们来指导后面的铣削加工。

二、实验设备及硬件连接

本次实验所用设备如表1所示。

表1 实验设备及仪器

实验设备

型号

图片

三轴立式加工中心

VMC850B

五轴联动立式加工中心

XKR50A

小型力锤

PCB-086C03

单向加速度传感器

Kistler-8776A500

数控切削动力学仿真

与优化系统 (Cutpro)

V9.0

动态信号采集卡

NI 9233

个人计算机

IBM R61笔记本

线缆

BNC连接线×2

USB连接线×1

刀具

株洲钻石整体平头立铣刀

Φ16一把，Φ12一把

实验系统硬件连接原理图如下图所示：

图1 实验系统硬件连接图

三、实验步骤

步骤一：数控机床的开机

开启气泵。

打开机床总电源开关，等待机床气压上升到0.6MPa-0.8MPa之间。

接通操作面板上NC开关以启动数控系统

待数控系统完全启动后，松开急停按钮，并按下操作面板上面的reset键，解除警报。系统进入待机状体，可以进行操作。

让机床回参考（实验中的三轴立式加工中心编码器为相对编码，需要每个轴分别回零，五轴立式加工中心为绝对编码，在JOG模式下按REF即可），并安装好刀具。

步骤二：机床锤击实验

将力锤通过带BNC接口的数据线与数据采集卡接口相连。

将加速度计通过带BNC接口的数据线与数据采集卡接口相连。

将采集卡的一端与力锤和加速度计连接好之后，另一端通过数据线USB接口与计算机相连。

在将上述设备连接好之后，将加速度计粘接到刀尖。启动Cutpro软件，并且设置好各项参数包括灵敏度2.25、频率范围0-2500Hz、取样率等之后可以开始锤击。

开始用力锤锤击，锤击时，力锤应该正对着加速度计。

获取时域与频域图。

步骤三：数控机床的关机

首先将倍率调到最小并按下急停按钮，让数控机床进入急停状态，之后按红色按钮关闭数控系统，最后将机床总电源从ON推到OFF以关闭电源。

关闭气泵电源。

收拾实验器材，确保实验室安全之后离开。

实验结果及分析

实验一：VMC850B三轴立式加工中心Φ16整体平头立铣刀动力学测试及仿真实验

X方向激励和响应的时域图：

X方向的幅频曲线和相频曲线：

分析：频率响应函数（FRF）实验测试结果

阶次

频率/Hz

1

1230

2

2250

实验二：XKR50A五轴立式加工中心Φ12整体平头立铣刀动力学测试及仿真实验

X方向激励和响应的时域图：

X方向的幅频曲线和相频曲线：

分析：频率响应函数（FRF）实验测试结果

阶次

频率/Hz

1

800

2

2400

总结：通过锤击实验，我们获取了刀具的频域响应函数，实验一中，我们可以知道刀具的一阶频率在1230HZ左右，二阶频率在2250HZ左右；实验二中，我们可以知道刀具的一阶频率在800HZ左右，二阶频率在2400HZ左右。鉴于在两个机床上进行的实验使用的刀具不一致，没有较多的可比性。

七、参考文献

[1] 刘强，李忠群.数控铣削加工过程仿真与优化—建模、算法与工程应用.航空工业出版社.2011.7

[2] Altintas Y, Weck M. Chatter Stability of Metal Cutting and Grinding[J]. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 2004, 53(2):619-642.

刘启通近期从事研究工作

刘启通（SY1507415）

1：五轴通用后处理器开发

复杂曲面零件越发广泛应用于航空航天、汽车、造船等行业，对数控铣削加工提出了更高要求，传统的三轴数控铣削难以满足高效，绿色加工的要求，因而五轴联动数控铣床得到得到广泛应用，大大提高了数控加工的效率，给制造业带来了质的飞跃。

后处理器作为CAM与数控系统数据交换媒介，主要作用就是加将CAM刀轨规划后产生的刀轨文件CLF(cutter location file)转换为机床能够识别的G代码，其数据交换作用如图1所示。而五轴机床结构类型繁多，两个旋转轴在三个线性轴的分布位置不同，其组合类型可有2160种之多[1]。一般需要根据对应机床结构开发后处理器，这样给机床用户和机床厂商带来极大的不便利，故五轴联动通用后处理的开发有重大意义。

图1 后处理器的数据媒介作用 图2 五轴坐标变换

本人根据前人的工作（参考文献[2-10]），考虑四个旋转轴和三个平动轴的通用机床结构，如图2所示，推导通用五轴联动坐标变换矩阵，求取各轴解析表达式，根据此算法开发出了五轴通用后处理器，并以成飞“S”型试件为例，以北京机电院XKR50A为对象，验证了开发算法的可靠性。Vericut仿真效果如图3所示，实际加工试件如图4所示。

图3 vericut仿真效果 图4 成飞“S”型试件加工实验

2：NURBS曲线曲面拟合

考虑到五轴联动加工可能出现的奇点问题，即使后处理进行数据点的密化，降低奇点附近的进给率也无法很好的解决，因而想在CAM刀轨规划的时候避免这个问题，然后UG，CATIA等CAM软件的曲面刀轨规划有很多限制，本人考虑了以叶片曲面为例，找出如何规划刀轨能够有效的避免奇点的出现，目前工作内容尽在曲面拟合阶段，刀轨规划有待进一步完善。图5为曲线曲面拟合程序。

图5 曲线曲面拟合程序

参考文献：

[1] Moriwaki T. Multi-functional machine tool[J].CIRP Annals,2007,56(1):383-386.

[2] Generation of 5-Axis Control Collision-Free Tool Path and Postprocessing for NC Data. Yoshimi Takeuchi, Takahiro Watanabe

[3] Study on the post processing of the domestic double swing head of five-axis machines. TANG Qing-chun, ZHANG Jian, MA, Zhong-liang, LIU Qian

[4]Research on coordinate conversion for VMC850F five-axid linkage Machine, TANG Qing-chun, ZHANG Jian

[5] A postprocessor for table-tilting type five-axis machine tool based on generalized kinematics with variable federate implementation

Yaman Boz & Ismail Lazoglu

[6] Developing a Postprocessor for Three Types of Five-Axis Machine Tools

R.-S. Lee and C.-H. She

Department of Mechanical Engineering, National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan, Republic of China

[7] Five-axis milling machine tool kinematic chain design and analysis

E.L.J. Bohez

[8] A Postprocessor based on the kinematix model for general five-axis machine tool, Chen-Hua She, Rong-Shean Lee.

[9]Design of a generic five-axis postprocessor based on generalized kinematic model of machine tool, Chen-Hua she Chun-Cheng Chang

[10] ZHENG Liao-mo,LIN Hu, GAI Rong-li,postprocessor based on generalized kinematix mode of five-axis machine tools.

贾英杰研究方向：宽行加工刀轨规划技术研究及软件开发

贾英杰SY1507422

五坐标数控加工技术包括复杂曲面的建模技术、五坐标刀位优化计算技术、刀具轨迹规划技术、后处理技术等。我所研究的宽行加工，属于五坐标刀位优化技术和刀具轨迹规划技术。而宽行加工作为课题组提出的特有五坐标数控加工技术，其算法并没有被集成到UG、CATIA等通用CAD/CAM软件中。我的研究任务就是对宽行加工技术进行完善，并开发出集成了宽行加工算法的数控编程系统。

1 刀位优化技术

宽行加工技术主要作为一种五坐标刀位优化计算技术，通过将刀具与目标曲面的接触方式从点接触改进为线接触，以行宽最大化为目的进行刀位的优化计算，大大提高了加工行宽，在保证加工精度的同时，复杂曲面的加工效率有了大幅度的提高，满足了工程中对复杂曲面的加工效率和加工质量的高要求。但是，目前的宽行刀位优化算法主要是针对立式圆环面刀具进行刀位优化计算，随着刀具母线形式的多样化，传统的宽行刀位优化算法已经不完全适用，某些刀位优化的算法虽然可以进行复杂母线刀具的刀位优化计算，但刀具的进给方向被限制于等参数线的方向，不利于复杂的刀轨规划。因此，复杂母线刀具的刀位优化算法还有待更加深入的研究。

2 刀轨规划技术

刀具轨迹规划的主要目的是实现刀具轨迹在待加工曲面上的最优分布，以减少刀具路径总长，均匀分布残余高度，提高加工效率和加工质量。国内外针对刀具轨迹的研究都是以提高加工效率和控制加工精度为原则，但这在某些薄壁复杂曲面零件的加工中显得不适用，例如航空发动机的叶片，考虑到机床本身的联动精度以及机床加速度的限制，其加工刀轨不适合用拓扑结构过于复杂的刀具路径进行加工，这一不利于控制叶片加工的变形，二不利于保证叶片的加工精度。另外，由于叶片不同切削区域之间的刀具姿态的不同，机床本身系统误差和刀具的轮廓误差会集中反映在不同切削区域的搭接边界处，很容易导致搭接精度不合格，甚至出现明显的接刀“台阶”，严重影响了叶片的加工质量。因此，针对叶片类薄壁复杂曲面零件的刀轨规划方法亟待研究。

3 应用软件开发

目前，通用的商用CAM软件比较有代表性的有：UG、CATIA、Pro/E、HyperMILL以及PowerMILL等。这些商用软件在曲面加工方面都具备较强的功能：首先，这些软件可以通过建立刀具模型，实现对加工常用刀具的刀位优化计算，算法稳定可靠，计算效率高；其次，这些软件都可以满足从单一曲面到多张曲面的数控编程，算法对不同曲面的适应性较好。因此，这些商用CAM软件都得到了广泛的应用。但是，这些软件存在以下几个方面的问题：

(1) 软件集成的刀位优化算法基本都不属于宽行加工算法，因此生成的加工刀轨行宽很窄，这无法满足对大型的复杂曲面零件高效加工的要求。

(2) 软件集成的刀位优化算法都只能针对环面刀、平底圆角刀、或者其他一些给定形状的刀具进行刀位的优化计算，面对刀具母线的越来越多样化的情况，这些CAM软件都无法进行刀位的计算。

(3) 软件的刀具轨迹规划虽然对不同曲面的适应性很好，但是针对某些复杂曲面零件的专用性较差。

为了解决上述问题，实验室课题组开发了一种针对叶片类复杂曲面零件的数控编程系统。

3.1 开发平台及开发环境

宽行加工编程系统的开发基于现有的CAD几何平台PANDACAD5.0。PANDACAD5.0几何平台是北京航空航天大学机械学院在Windows平台下以OpenGL为图形引擎，以Visual Studio 2010为开发平台自主研发的CAD几何平台，支持二维和三维几何设计。

3.2 逻辑流程

宽行加工编程系统的逻辑流程图：

图1 宽行加工编程系统的逻辑流程

3.3 总体结构设计

宽行加工编程系统的模块划分如图2所示，系统包含CAD模块、CAM模块和界面导航模块三个主要的模块。CAD模块主要负责几何模型相关数据的处理，包含了几何建模模块、几何分析模块和几何应用模块。CAM模块主要负责跟数控加工相关的操作，包含了宽行加工模块、仿真验证模块和在线检测模块。界面导航模块包含了用于界面操作的各个功能，如平移、旋转、选择等。

图2 宽行加工编程系统的模块划分

汤志达近期科研内容

汤志达 ZY1507412

1.表面完整性对零件使用性能的影响

表面完整性是指零件由加工所形成的表面特征和表层特性。表面完整性定义见参考文献美国机械加工切削数据手册，其对表面完整性的评价采用3个级别标准．表面完整性的评价指标如图1所示：①与表面纹理相关的几何特征（表面粗糙度、表面波纹度、表面纹理方向和表面缺陷）；②变质层特征：包括表层硬度梯度、残余应力场、微观组织变化、塑性变形等。

图1 表面完整性示意图

1.1 对零件耐磨性的影响

表面粗糙值小，可以增加零件之间的接触面积，减少表面接触压强，降低磨损。两个互相接触的零件表面，最初并不是整个面积上的接触，而是只在零件表面凸峰顶部接触，其实接触面积只是名义接触面积的一小部分。当零件上有作用力时，在凸峰接触部分产生了很大的单位面积压力，表面越粗糙，实际接触面积就越小，单位面积的压力就越大。当两个零件表面作相对运动时，因表面粗糙部分产生塑性变形及剪切而使两表面磨损，甚至在压力的作用下，形成干摩擦，加剧了磨损。但并不是已加工表面越光洁、摩擦阻力越小，就越耐磨。因为表面粗糙度太小，不利于润滑油的贮存；另外，还会使接触表面之间的分子亲和力增大， 甚至发生分子粘合，使摩擦阻力增加而产生急剧磨损。在一定工作条件下，一对摩擦表面的粗糙度总是存在着某个最佳点，超过或低于此值都会引起磨损的加剧。一般磨削表面接触面积达30%~50%。精密磨削其表面有效接触面积可达85%~90%，超精密磨削则有效接触面积更高。在一定条件下，表面粗糙度值愈小则磨损愈小。

表面冷作硬化后，硬度增加，可提高耐磨性。这是由于表面硬度升高，抵抗变形的能力增加了，故耐磨性提高。但如果加工硬化的作用过大，尽管硬度提高了很多，但过大的塑性变形会使金属基体的微观连续性遭到破坏，而出现大量的微观裂纹及组织疏松，反而使耐磨性降低。另外，加工时如果零件表面产生磨削白层，虽然硬度也提高了，但很脆，并不耐磨；而且在下面是较软的黑层，也不耐磨。

1.2 对零件疲劳强度的影响

工件的疲劳破坏主要是受到反复载荷作用时，由于工件表面有裂纹、缺口等缺陷而产生的。因此，工件表面粗糙度愈小，表面缺陷愈少，则工件耐疲劳性提高。表面粗糙度减小，有利于疲劳强度的提高。粗糙度打的表面，极易产生较大的应力集中，使表面的实际应力比平均应力高1.5~2.5倍，裂纹容易生成；粗糙度小时，应力集中较为分散均匀，使裂纹产生困难。疲劳强度除与粗糙度的大小有关外，还与波峰、波谷的尖锐程度有关，尖锐的波谷应力集中较大，裂纹产生容易。圆钝的波谷产生应力钝化，裂纹生成相对困难。Ra由6.3um降低到0.4um时，疲劳强度可提高25%左右。经精密磨削加工后的表面，其耐疲劳性能更好。

零件磨削表面的金相组织和显微硬度变化对疲劳强度的影响规律比较复杂，有些变化可使疲劳强度上升，有些则可能使其下降。表面层加工硬化能提高零件的疲劳强度，硬化层会阻碍已有疲劳裂纹的扩展和新裂纹的产生，同时，硬化层还能显著减小外部缺陷和粗糙度的有害影响。金相组织的不均匀性增加、过度的形变硬化引起材料脆化都可能使疲劳强度降低。

零件的疲劳破坏分为晶粒裂纹萌生、裂纹扩展、断裂三个阶段。当零件表面局部最大拉应力超过其断裂极限时，材料局部开裂，裂纹萌生；在周期性交变载荷作用下，裂纹不断扩展、增大，直到剩余有效截面承受的实际应力大于其断裂极限时，材料发生一次性断裂。在疲劳强度的各种影响因素中，磨削表面的残余应力对疲劳强度的影响最大。由于裂纹是由拉应力造成的，因此，磨削表面的残余压应力可以抵消一部分外加的拉应力，从而有效抑制了裂纹的产生和扩展，使零件的疲劳强度大大提高。因此在实际加工中，一般总希望零件表面出现适量的残余压应力来提高疲劳强度，生产中常采用一些辅助工序（如表面喷丸、滚压等）来实现这一目的。相反，如果零件表面存在较大的残余拉应力，则会叠加在外加拉应力上使实际拉应力大大提高，加速了裂纹的产生和扩展，使疲劳强度降低。

1.3 对零件耐腐蚀性的影响

工件表面耐腐蚀性在很大程度上决定于表面粗糙度。表面粗糙度值小，其表面粗糙度波谷较小，不容易积聚腐蚀物质，可减轻腐蚀。表面粗糙度越大，越容易积聚腐蚀性气体或液体。这些气体或液体通过粗糙度表面的凹谷深处向内部渗透，与未氯化的材料发生物理化学反应，产生腐蚀。凹谷越深，底部角度越小，尤其表面有裂纹时，腐蚀作用强烈。所以，进行精密、超精密磨削是提高零件表面耐磨性能的有效措施。

表面金相组织的变化一般都使零件的耐腐蚀性下降。变形的晶粒、发生淬火或回火软化的表层组织，会使零件表面的组织不均匀性增加，因此易发生腐蚀。而磨削表面硬度的提高并不能提高零件的耐腐蚀性，只有当硬度提高的同时，伴随组织致密度提高，才能提高零件的耐腐蚀性。

残余应力的存在对零件的耐腐蚀性的影响很大。残余压应力可增加材料的耐腐蚀性，残余拉应力则明显降低其耐腐蚀性。产生这种结果的原因有两个：一个是残余压应力对腐蚀过程中钝化膜的破坏较小，而拉应力则对钝化膜产生较大的破坏作用，使腐蚀介质连续不断地深入零件的内部而对其进行腐蚀；另一个原因是残余压应力可使电极电位变化，而残余拉应力则使电极电位向高电位变化，这种电极电位的差别形成了腐蚀微电池，因此，电位高的正极就会被腐蚀。

磨削裂纹的产生会使零件的耐腐蚀性大大降低。因为在裂纹的前端总存在着较大的拉应力集中，从而使腐蚀介质容易从裂纹端部进入并沿着应力集中最大的方向不断地腐蚀，极大地加剧了零件的腐蚀速度。有些材料在静载拉应力和特定的腐蚀环境共同作用下，会产生应力腐蚀，造成材料的脆性断裂。

2.不同加工方式下的HG4169疲劳寿命对比实验

GH4169合金在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能良好。能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航和航空发动机制造中，在上述温度范围内获得了极为广泛的应用。

GH4169大量应用于航空发动机的制造中，而发动机对可靠性和寿命的要求非常严格。为了寻找合适的加工方法，改善金属机加工的表面质量，提高其疲劳寿命，我们对采用不同加工方式的标准圆棒试件进行了疲劳实验。

2.1试件

按照国标设计的圆棒试件，材料为GH4169,，如图2所示。

图2 圆棒试件

2.2 加工方式

采用的加工方式为：（1）抛光（2）磨削（3）铣削（4）前三种加工方式的组合。

2.3实验结果

每种加工方式有3个试件，在疲劳试验机上进行拉-拉疲劳实验，得到的断件如图3所示。

图3 疲劳实验断件

虽然数据具有一定的离散性，但实验结果总体表明，经过磨削和抛光的试件疲劳寿命要高于铣削加工。