基于小波降噪和EMD-SVM的加工中心主轴系统状态监测技术

主轴系统是数控机床的重要功能部件,其运行状态直接影响机床的可靠性与加工精度。为了实现状态实时监测、故障预警和维修策略优化,针对加工中心主轴系统,设计了状态监测方案,研制和搭建了加工中心状态监测平台的硬件系统和软件系统。集成小波降噪方法和经验模态分解-支持向量机(EMD-SVM)算法对采集信号处理与分析,实现加工中心主轴系统的状态实时监测,进而对主轴系统典型故障状态进行识别与诊断。基于研制的加工中心主轴状态监测系统,进行了主轴系统皮带松动故障监测试验分析,验证其对主轴系统的典型故障状态识别的准确度。     

高速切削过程材料变形的应变率研究

高速切削因众多优点被广泛研究,然而切削速度快这一特点也限制了对切削过程的认识。为了研究切削过程各类物理参量的变化规律,进而应用到工程实际,提出了从流动的角度去认识切削过程的思路。分析了从材料流动观点研究应变率的依据,提出了一种基于网格测量的应变率计算方法,获得了切削过程应变率的分布,并与计算机模拟计算结果进行了对比分析,结果表明前刀面上的应变率受前刀面摩擦的影响,越靠近前刀面应变率越大,中心剪切面上应变率在剪切面方向上最大,且剪切面两端（刀尖与自由表面处）数值最大;从流动的观点研究应变率的分布,可实现较为粗糙的应变率定量研究。     

铝合金插铣加工切削力分析及成屑弧区划分研究

利用铝合金插铣加工正交试验,从工艺角度分析了主轴转速、每齿进给量和径向切宽加工参数对三向切削力的影响规律,并进行了方差显著性分析(ANOVA)。建立了关于加工参数的多元线性回归方程,讨论了加工过程振动对切削力信号的影响。从切削理论角度建立了切削力与刀具转角、瞬时每齿切厚的理论计算关系。基于切向/法向切削力的变化规律,将切削弧区划分为挤压区、划擦区和切削区。     

GH4169高温合金高速切削表层微观组织分布规律研究

高速切削过程中,剧烈的塑性变形和极高的切削温度容易引起已加工表层材料的微观组织缺陷,从而成为工件服役过程中疲劳断裂的潜在风险。本文结合试验测试和有限元仿真研究了GH4169高温合金高速加工表层材料的微观组织演变规律及形成机制。开展了高速正交切削试验,并通过电子背散射衍射（EBSD）技术观测了已加工表层材料的微观组织。随后,基于修正的Johnson–Cook本构模型建立了GH4169高温合金高速正交切削有限元分析模型,并获得切削过程中工件表层材料的温度场和应变场。结果表明,已加工表层材料的温度、应变和微观组织均呈现梯度分布特征,近表层材料的晶粒细化至纳米级。切削过程中产生的梯度分布的力–热载荷是导致已加工表层材料微观组织呈现梯度分布的原因。     

切削加工中7B04铝合金本构模型

为建立切削加工中7B04铝合金Johnson-Cook本构模型,进行了准静态压缩试验和直角自由切削试验,根据大变形、高应变率和高温度下的材料应力-应变关系对本构模型的参数进行识别,提出了应变软化修正项和应变率硬化系数的形式,最后进行了试验验证,结果表明该模型能够准确模拟出7B04铝合金在切削过程中的应力。     

切深对椭圆超声振动切削机理的影响

以椭圆超声振动切削为研究对象,通过理论分析,有限元仿真和切削实验,研究了切深变量对其切削过程中机理的影响。指出在微小的切深条件下,刀尖钝圆影响不可忽略,其切削过程表现出微细切削特性。一方面,基于微细切削理论,建立了正交椭圆超声振动切削运动学和力学模型,将切削区分为后刀面回弹区、刀尖犁切区、刀尖剪切区和前刀面摩擦区四个区域,并依次对四个区域内不同切深条件下各个切削分力进行计算分析。另一方面,对切削过程进行有限元仿真和切削实验。其结果表明:当切深小于最小切削厚度时,切削过程主要为刀具后刀面的回弹挤压与摩擦和刀尖钝圆的犁切作用,不产生切屑,切深抗力大于主切削力;当切深大于最小切削厚度并逐渐增大时,刀尖剪切和切屑与前刀面的挤压与摩擦作用逐渐凸显并成为主要切削方式,此时主切削力逐渐超过切深抗力并迅速增大。     

激光辅助车削工艺参数对单晶硅表面质量的影响

为了提高单晶硅激光辅助车削加工表面质量,通过开展激光辅助和常规车削加工试验,结合表面粗糙度、表面形貌及拉曼光谱检测,研究激光辅助车削技术对加工质量的影响。基于正交试验方法,研究单晶硅激光辅助车削工艺参数对表面粗糙度的影响;通过方差分析和极差分析评估各因素对表面粗糙度的影响。研究结果表明：与常规车削相比,激光辅助车削可有效提高加工表面质量,降低材料表面的残余应力。主轴转速、进给速度、切削深度和脉冲占空比对表面粗糙度的贡献率分别为17.51%、44.48%、6.69%和14.70%。确定最佳加工参数组合如下：主轴速度为4 000 r/min,进给速度为2 mm/min,切削深度为5μm,脉冲占空比为30%,最终获得表面粗糙度Rq为2.4 nm的高质量表面。     

椭圆振动切削加工的同步控制研究

利用椭圆振动切削加工的回转体表面微织构是在机床主轴旋转、平台进给和装置椭圆振动的联合运动下得到的,机床主轴转动与装置位移输出如果不能保持完全的实时同步,会造成微织构加工的偏差。为了解决这一问题,提出了一种新的基于转角的同步控制方法,该方法在主轴的对位基准处实现装置正弦信号的复位,以修正转速漂移造成的加工位置误差,并通过判断主轴角度信号实时输出对应幅值电压来实时同步信号输出和机床旋转运动。基于LabVIEW FPGA搭建同步控制模块,经试验验证,利用该方法加工的矩形阵列微织构轴向排列与中轴线平行,与周向排列的夹角和仿真结果的偏差不超过0.1°,织构深度随转角的不同发生预设的变化,因此,同步控制方法具有实时同步控制椭圆振动切削装置的能力。     

刀具监控在数控机床及加工中的应用

针对数控机床使用高速电主轴在切削过程中出现异常情况导致的电主轴损坏问题,分析了电主轴损坏的原因以及刀具监控系统在电主轴保护和工艺优化方面的作用,详细论述了刀具监控系统应用原理、主轴保护过程、工艺优化分析和监控系统与及机床的集成。并在虚拟五轴机床上开展应用验证,通过设置功率阀值、刀具破损功率和刀具磨损功率,实现了切削实际功率和振动的监测。应用表明:采用刀具监控系统能降低刀具破损、磨损等原因造成电主轴的损坏,同时能对加工工艺进行分析和优化。     

微小型车铣加工表面粗糙度分析及预测模型建立

随着尖端科学技术和国防工业的不断发展,微小型车铣加工技术作为一种先进的切削加工方法被广泛应用在军民制造领域。为获得微小型正交车铣加工参数引起的零件表面粗糙度的变化规律,以高效车铣复合加工机床正交车铣轴类零件的表面粗糙度为研究对象,采用三水平五因素正交实验分析法和多元线性回归预测法,重点研究了车铣加工参数与表面粗糙度之间的关系、车铣加工参数与表面粗糙度预测模型数值关系。结果表明,采用相同刀具下正交车铣加工轴类零件,其工件尺寸、车削主轴转速、工件进给量、铣削主轴转速和切削深度依次从大到小影响零件表面粗糙度质量,可指导高效车铣复合加工机床的加工工艺参数优化。     

ZrO2陶瓷切向超声辅助磨削表面及亚表面损伤机制

为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面损伤机理,基于应变率模型对其磨削过程中材料的动态力学性能进行分析,并在此基础上建立了硬脆材料的脆-塑转变临界切削深度模型与微裂纹损伤深度模型。研究发现,脆-塑转变临界切削深度和微裂纹损伤深度均与应变率有关,其中临界切削深度随着应变率的增加而增加,而横向裂纹损伤深度与中位裂纹损伤深度均随应变率的增加而减小。通过ZrO₂陶瓷切向超声辅助磨削试验进行验证。试验结果表明：由于切向超声振动的引入提高了材料应变率,进而提高了材料的动态断裂应力以及动态断裂韧性,从而扩大了ZrO₂陶瓷的塑性域去除范围,降低了加工表面的横向裂纹与中位裂纹损伤深度,使得ZrO₂陶瓷的表面及亚表面质量得到明显改善。试验结果与理论分析相一致,为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面微观损伤机理提供了理论参考。     

植入FBG的碳纤维复合材料全寿命周期结构状态研究

将光纤光栅传感器与碳纤维复合材料进行一体化集成设计,在碳纤维复合材料内部植入光纤光栅传感器,验证了埋置工艺的可行性,确认了其可实时监测环境温度值,研究了植入光纤光栅传感器后碳纤维复合材料的结构强度变化及光纤光栅的信号传递率。试验结果表明:碳纤维复合材料埋入光纤光栅传感器前后结构强度变化率小于10%,光纤应变信号传递率高于90%,光纤光栅传感器可以作为碳纤维复合材料结构进行从加工固化、使用过程直至破坏的全寿命周期的结构强度监测的有效手段。     

PH13-8Mo插铣铣削力建模与分析

插铣可降低径向切削力,减小工件变形,降低机床功率消耗,可实现难加工材料高效加工,其应用也越来越广泛。本课题针对沉淀硬化不锈钢PH13-8Mo的切削特点,搭建了切削力测试试验平台,采用正交方法设计了试验,运用多元线性回归方法对试验结果数据进行了拟合,建立了PH13-8Mo的插铣铣削力经验模型,对插铣铣削力随切削参数的变化规律进行了分析,并进行了试验验证,为研究沉淀硬化不锈钢的插铣过程提供了依据。     

GH4169高温合金高应变率本构关系试验研究

 基于高应变率下GH4169高温合金的本构关系是采用有限元法对GH4169高温合金进行切削加工数值分析研究的基础。本文针对GH4169高温合金,通过试验对其在温度为室温至1 000 ℃、应变率为2 000～10 000 s^-1的范围内的本构关系进行了研究。研究发现高应变率下GH4169高温合金的流动应力与塑性应变关系接近线性关系,同时温度影响着高应变率下应变率对本构关系的影响程度及方式。根据GH4169合金流动应力曲线的特点,对Johnson-Cook本构模型进行修正。基于试验结果,通过数据拟合确定了对应高应变率GH4169高温合金的材料常数,建立了描述GH4169高温合金高应变率下的本构模型,为切削加工有限元数值分析提供了理论基础,并为相关类似研究提供了思路。     

微结构表面超精密加工中切削条件的影响分析

介绍了微结构功能表面加工中的问题,以同轴调制锯齿波微结构的金刚石超精密加工为例阐述了其加工原理,结合试验对刀具刀尖圆弧半径、被加工材料和切削液等切削条件与金刚石超精密切削加工后的微结构功能表面之间的关系进行了分析与讨论,并对主轴转速和刀具进给速度等切削用量与金刚石超精密切削出的微结构功能表面之间的关系进行了分析与讨论.     

PCBN刀具切削高温合金切削力试验分析

近些年来,航空制造业的巨大进步推动了高温合金,特别是镍基高温合金的高速发展。高温合金材料的难加工问题是目前制造业的难点,其在切削过程中存在切削力大、切削温度高等现象,直接影响到工件加工表面质量和刀具使用寿命等,因此对切削力进行测量和分析是研究高温合金切削加工的有效途径。探究PCBN刀具切削高温合金切削力变化规律,首先阐述高温合金的材料特性及加工特点;其次设计并进行单因素和正交试验,探讨负倒棱对切削力的作用和影响规律,建立切削高温合金切削力预测模型;最后实现预测模型的优化,并与试验数据对比验证,为高温合金工艺参数优化起到参考和借鉴作用。     

旋转超声振动端面磨削CFRP表面质量研究

以多向层铺树脂基碳纤维增强复合材料为研究对象,采用超声振动磨削和普通磨削对其表面加工质量进行了端面磨削试验研究.通过正交试验和单因素试验分析了各工艺参数对工件表面质量的影响规律,并由表面粗糙度及微观形貌进一步分析了磨削机理.试验结果表明:在超声磨削过程中提高主轴转速、减小进给速度,同时采用合适的切削深度和工具粒度,有助于获得高质量的加工表面;超声振动磨削和普通磨削后,工件表面均存在纤维丝断裂、剥离和凹坑等缺陷,超声振动磨削后的加工缺陷出现的程度和概率均较低,表面加工质量较好.     

大规模应变监测值获取技术研究

针对全机静强度试验过程中获取应变监测值的问题,提出一种适用解决该问题的方法。全机静强度试验过程中,需要对一万个左右的应变片进行监控。在试验之前,需要提供试验工况下每个应变片的理论计算值作为监测值,筛选出重点关注部位,方便与试验值进行对比。由于应变片数量大,根据有限元结果,手工获取应变监测值效率低且易出错。从应变变换和应变插值的基本理论出发,详细介绍了快速获取应变监测值的方法,并基于HyperWorks有限元前后处理软件开发出一套应变监测值获取工具,实现了在单元面内和面外对应变进行插值,提高了应变监测值计算精度,克服了传统基于自然网格有限元模型方法带来的计算繁琐、效率低、局部计算精度不足的缺点,大大降低了应变监测值数据的准备难度。     

激光加热辅助切削加工技术研究进展

综述近年来激光加热辅助切削加工技术的研究进展。在实验研究方面,总结了激光加热辅助车削、铣削、钻削、磨削等不同工艺过程的加工特点,阐述了激光参数和切削参数对加工质量的影响。研究表明:在一定范围内,适当提高激光功率、降低切削速率、减小进给量有利于切削区材料的充分软化,可改善工件材料的切削加工性,提高加工效率和加工质量。目前,激光加热辅助切削加工仿真研究主要集中在切削温度场与切削过程仿真。通过建立温度场模型,可预测材料去除最优温度范围,优化加工工艺参数。切削过程仿真探讨应力、应变、温度等物理量的影响,为实际加工中控制零件表面质量提供了依据。后续工作应进一步加强在加工机理、加工工艺、仿真优化等方面的研究,建立完善的激光加热辅助切削加工数据库,以促进该技术的工业应用。     

直角切削6061-T6铝合金剪切区力学行为及微观结构演化预测

力学行为是塑性变形微观过程的宏观表现,早期的金属切削理论模型没有考虑微观结构对切削力的影响。在考虑热力耦合效应的基础上建立了基于位错密度材料模型的6061-T6铝合金直角切削力预测模型,分析了不同切削参数下基于位错运动的塑性变形机制对切削力的影响。结合等分剪切区和非等分剪切区模型,构建了第一变形区多物理场计算方法,提出一种切屑形成过程中由塑性变形引起的微观结构演化解析模型。通过测量切削力和切屑内晶粒尺寸对模型的可行性进行了初步验证。结果表明：剪切区长度变长引起参与位错滑移的材料增多是切削深度增大导致切削力增大的主要原因。增大切削速度导致切削力的降低不是单一变量影响的结果,而是应变降低引起位错增殖数量减少和温度升高引起位错湮灭作用增加的共同作用结果。非等分剪切区模型正确反映了第一变形区温度和应力的分布特征,且与二维有限元模型分布相一致,建立的第一变形区微观结构演化解析模型能够预测切屑内位错密度和晶粒尺寸。