一种车削刀具-工件非线性振动系统耦合特征的研究方法技术方案

本发明专利技术涉及一种车削刀具‑工件非线性振动系统耦合特征的研究方法，包括以下步骤：建立刀具‑工件耦合振动测试系统；对工件进行车削试验，分别以三向加速度传感器测振系统和非接触式位移传感器测振系统同步测试车削过程中刀具刀尖处的三向振动及工件平行于刀具刀柄方向的径向振动；基于上述获取的刀具与工件振动信号时间序列，绘制相轨图，计算刀具每两向振动、刀具‑工件之间振动的互相关系数，从而判断刀具三向非线性振动中哪两向之间的相互影响最显著以及刀具振动与工件振动的相关性；基于车削试验数据由最小二乘法原理建立工件径向振动关于刀具径向振动及车削参数之间的拟合模型。

【技术实现步骤摘要】
一种车削刀具-工件非线性振动系统耦合特征的研究方法
本专利技术涉及一种车削加工时刀具与工件振动系统非线性动力学特征的研究方法及耦合模型的建立方法，具体涉及一种车削刀具-工件非线性振动系统耦合特征的研究方法，属于车削加工领域及非线性动力学特性研究领域。
技术介绍
据了解，机械加工的水平决定了一个国家的工业水平。车削是机械加工的重要手段，一直以来也是研究的热点。车削加工中，利用工件的旋转和刀具的相对运动改变工件的尺寸和形状，能够得到符合要求的零件。车削加工过程中，工件与刀具组成的耦合系统常常发生振动。这种振动导致车削过程不稳定，不但影响零件的加工精度和表面质量，而且影响机床和刀具的使用寿命，产生的噪声还会污染工作环境；此外，对于陶瓷、金刚石和CBN等各种新型刀具，由于它们材质较脆，车削振动作用易于发生崩刃现象，严重影响机床和人身安全。车削加工技术还有许多未知理论需要探讨，如车削过程中多因素非线性相互作用机理、车床-刀具-工件耦合振动机理、基于热力学理论的刀具磨损机理、车削润滑对车削表面质量影响机理等。目前，人们对刀具振动的实验及数值模拟的成果较多，一般利用加速度传感器采集振动信号，对振动信号进行时域分析、频域分析得到刀具磨损量与振动信号的关联。实验表明：车削速度、进给速度、背吃刀量对刀具振动产生较大的影响。而对车削工件振动方面的实验成果很少，对工件的振动多用数值模拟手段研究。实际上，车削过程中工件、刀具等都产生振动，且工件与刀具的振动相互影响，对于图2所示的车削工件-刀具系统，Fx、Fy、Fz分别为刀具作用在工件表面上的沿轴向、径向及切向的车削力，l为工件的总长度，vf为刀具轴向进给速度，xk为工件待加工段的长度。Fx、Fy都会使工件产生绕z轴的弯曲变形及振动，Fz还会使工件产生绕轴线x的扭转振动。不失一般性，研究工件在刀具施加的径向车削力Fy作用下的弯曲振动，根据梁的弯曲振动理论，径向振动位移y(t,x)满足的方程如下：其中，δ(x-xk)为狄拉克δ函数。E为工件材料的抗弯刚度，ρ为单位体积的质量密度，A(x,t)为工件横截面面积。则工件横截面面积A(x,t)满足绕z轴的轴惯性矩I(x)满足其中，r0为工件车削前的半径，ap为车削深度。注意，由于工件的振动，车刀所处截面的半径并不等于r0-ap，而是r0-ap+y(t,x)。由于刀具的径向车削力Fy随车削参数及车削时间变化，由式(1)可知，刀具的振动影响车削工件弯曲变形y(t,x)的振动规律。且该振动方程中的系数并非常量，即工件的振动是一种非线性振动。同理，工件的振动通过车削力反作用于刀具使得刀具受到的力并非常量，因此，刀具和工件的振动均为非线性振动，且相互耦合相互影响。因为耦合振动的非线性及复杂性，目前关于刀具和工件相互影响的理论及实测成果很少。尤其是不同刀具磨损状态下刀具与工件振动相互影响的成果就更少。因此，有必要研究不同刀具磨损状态下刀具-工件振动系统的非线性特征，建立二者之间的关系模型，所建立的耦合模型能为数值模拟研究车削系统的耦合振动特性时提供一个本构模型及实验参数。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提出一种车削刀具-工件非线性振动系统耦合特征的研究方法，该方法基于最小二乘法建立工件振动关于刀具振动及车削参数的多元模型，计算相关系数，分析刀具磨损状态对该相关模型的影响。为了达到以上目的，本专利技术的技术方案如下：一种车削刀具-工件非线性振动系统耦合特征的研究方法，包括以下步骤：第一步、建立刀具-工件耦合振动测试系统，刀具-工件耦合振动测试系统主要由三向加速度传感器测振系统和非接触式位移传感器测振系统组成，三向加速度传感器测振系统包括三向加速度传感器和第一信号采集分析系统，将三向加速度传感器置于车削刀具的刀柄下表面前端靠近刀尖处，三向加速度传感器与第一信号采集分析系统相连，第一信号采集分析系统采用采用电荷输入式的信号采集分析系统；非接触式位移传感器测振系统包括非接触式位移传感器和第二信号采集分析系统，将非接触式位移传感器置于工件自由端，第二信号采集分析系统采用电压输入式的信号采集分析系统；第二步、对工件进行车削试验，分别以三向加速度传感器测振系统和非接触式位移传感器测振系统同步测试车削过程中刀具刀尖处的三向振动及工件平行于刀具刀柄方向的径向振动；第三步、基于上述获取的刀具与工件振动信号时间序列，绘制相轨图，并调用CORREL(x,y)公式分别计算刀具每两向振动、刀具-工件之间振动的互相关系数，从而判断刀具三向非线性振动中哪两向之间的相互影响最显著以及刀具振动与工件振动的相关性；第四步、以工件振动位移特征值的实测值与拟合值的差值平方和取最小作为目标函数，基于车削试验数据由最小二乘法原理建立工件径向振动关于刀具径向振动及车削参数之间的拟合模型。基于上述研究背景，本专利技术建立不同磨损状态刀具-工件振动测试系统，通过三向加速度传感器测量车削过程中刀具刀尖附近的振动，同时通过非接触式位移传感器测量车削过程中工件的径向弯曲振动；分别提取刀具三向(x，y，z向)振动及工件振动(z向)的时间序列，对刀具的三向振动进行互相关性分析，画出x-y、y-z、z-x相轨线图，比较不同磨损刀具及不同车削参数下刀具三向振动的互相关特性；当刀具振动与工件振动两种时间序列的数据长度相同时，可以直接对这两种振动信号的时间序列计算两者的互相关性系数，判断两个信号的相关程度。当两种时间序列的数据长度不相同时，可以分别提取刀具径向振动加速度特征值、工件振动特征值，绘制不同车型参数下的刀具加速度-工件位移关系曲线。本专利技术进一步优化的技术方案如下：优选地，所述非接触式位移传感器为涡电流位移传感器，其量程不大于1.5mm。优选地，所述工件的材质为金属材料。优选地，第二步中，提取不同磨损状态刀具在不同车削参数下的刀具加速度三向(x，y，z向)振动时间序列及工件振动时间序列备用，并基于时间序列分别绘制各次实验中刀具的x-y、y-z、z-x相轨线图，以观察相轨线图的变化规律。上述相轨线图是动力系统中状态变量在相平面内的轨线图，能够用以观察动力系统中状态变量的演化规律。本专利技术中刀具的相轨线是由x-y、y-z、z-x向构成的轨线图，不同磨损刀具在相同车削参数车削时的相轨图是不同的。优选地，第三步中，首先基于刀具加速度三向振动时间序列，在excel中调用公式CORREL(x1:xn,y1:yn)、CORREL(y1:yn,z1:zn)、CORREL(x1:xn,z1:zn)分别计算刀具三向振动中任意两向之间的互相关性系数，并比较计算出的互相关性系数，得到三向振动中哪两向之间的相关性最强，相互影响最显著；其次，比较不同磨损状态下刀具的互相关性系数，得到刀具磨损对互相关性系数的影响规律；然后，观察刀具振动加速度a与工件振动位移y两种信号时间序列的数据长度是否一致，以决定相关性道具振动与工件振动分析的方法，若刀具振动加速度a与工件振动位移y两种信号时间序列的数据个数一致，则在excel中调用公式CORREL(a1:an,y1:yn)计算这两种信号的互相关系数，当计算得到的互相关系数值大时，则说明这两种信号所对应的物理量耦合作用效果强；若刀具振动加速度a与工件振动位移y两种信号时间序列本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车削刀具‑工件非线性振动系统耦合特征的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、建立刀具‑工件耦合振动测试系统，刀具‑工件耦合振动测试系统主要由三向加速度传感器测振系统和非接触式位移传感器测振系统组成，三向加速度传感器测振系统包括三向加速度传感器和第一信号采集分析系统，将三向加速度传感器置于车削刀具的刀柄下表面前端靠近刀尖处，三向加速度传感器与第一信号采集分析系统相连，第一信号采集分析系统采用采用电荷输入式的信号采集分析系统；非接触式位移传感器测振系统包括非接触式位移传感器和第二信号采集分析系统，将非接触式位移传感器置于工件自由端，第二信号采集分析系统采用电压输入式的信号采集分析系统；第二步、对工件进行车削试验，分别以三向加速度传感器测振系统和非接触式位移传感器测振系统同步测试车削过程中刀具刀尖处的三向振动及工件平行于刀具刀柄方向的径向振动；第三步、基于上述获取的刀具与工件振动信号时间序列，绘制相轨图，并调用CORREL(x,y)公式分别计算刀具每两向振动、刀具‑工件之间振动的互相关系数，从而判断刀具三向非线性振动中哪两向之间的相互影响最显著以及刀具振动与工件振动的相关性；第四步、以工件振动位移特征值的实测值与拟合值的差值平方和取最小作为目标函数，基于车削试验数据由最小二乘法原理建立工件径向振动关于刀具径向振动及车削参数之间的拟合模型。...

【技术特征摘要】
1.一种车削刀具-工件非线性振动系统耦合特征的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、建立刀具-工件耦合振动测试系统，刀具-工件耦合振动测试系统主要由三向加速度传感器测振系统和非接触式位移传感器测振系统组成，三向加速度传感器测振系统包括三向加速度传感器和第一信号采集分析系统，将三向加速度传感器置于车削刀具的刀柄下表面前端靠近刀尖处，三向加速度传感器与第一信号采集分析系统相连，第一信号采集分析系统采用采用电荷输入式的信号采集分析系统；非接触式位移传感器测振系统包括非接触式位移传感器和第二信号采集分析系统，将非接触式位移传感器置于工件自由端，第二信号采集分析系统采用电压输入式的信号采集分析系统；第二步、对工件进行车削试验，分别以三向加速度传感器测振系统和非接触式位移传感器测振系统同步测试车削过程中刀具刀尖处的三向振动及工件平行于刀具刀柄方向的径向振动；第三步、基于上述获取的刀具与工件振动信号时间序列，绘制相轨图，并调用CORREL(x,y)公式分别计算刀具每两向振动、刀具-工件之间振动的互相关系数，从而判断刀具三向非线性振动中哪两向之间的相互影响最显著以及刀具振动与工件振动的相关性；第四步、以工件振动位移特征值的实测值与拟合值的差值平方和取最小作为目标函数，基于车削试验数据由最小二乘法原理建立工件径向振动关于刀具径向振动及车削参数之间的拟合模型。2.根据权利要求1所述一种车削刀具-工件非线性振动系统耦合特征的研究方法，其特征在于：所述非接触式位移传感器为涡电流位移传感器，其量程不大于1.5mm。3.根据权利要求1所述一种车削刀具-工件非线性振动系统耦合特征的研究方法，其特征在于：所述工件的材质为金属材料。4.根据权利要求1所述一种车削刀具-工件非线...

【专利技术属性】
技术研发人员：李顺才，霍逸轩，吴春力，喻秋，刘洁，袁志敏，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32