上述研究主要针对铣削过程的动力学模型和切削稳定性的研究,并对刀具长度、形状和主轴转速等影响因素进行了深入研究,但多数是对铣削过程的切削稳定性研究,并未涉及旋铣技术核心并缺乏相应的试验支撑。
我国的切削稳定性方面研究是从九十年代开始展开的。华中科技大学的师汉民等[21]提出了一个非线性切削颤振的理论模型,考虑了两个非线性因素:一是当颤振振幅足够大时,刀刃运动轨迹的一部分越出工件之外;二是切削力对切削厚度是非线性依赖关系、而机床结构假定是线性的。求出此理论模型的稳态解,并得到稳定性极限图。山东大学唐委校[22]给出了高切削速度情况下多自由度系统高阶固有频率影响的切削稳定性极限判据及其预测分析方法。北京信息科技大学的曹力[23]研究影响切削稳定性的因素,并对稳定性叶瓣图进行优化,然后在此基础上建立切削加工稳定性预测系统。上海交通大学的马春翔[24]根据超声波椭圆振动切削原理,分析了其动态背向切削力的特征,提出了具有正负脉冲的超声波椭圆振动切削动态背向切削力模型。东北大学的汪博[25]采用5自由度轴承受力与变形关系模型和分布式弹簧模型,建立高速主轴系统通用有限元模型,并利用三维稳定性叶瓣图、极限切削深度和叶瓣交点随参数的变化曲线来表征切削稳定性的影响规律,为提高系统切削稳定性提供理论依据。
上述研究具有以下三个特点,一是研究对象大多基于车削或者普通铣削,很少有涉及硬旋铣研究;二是上述研究对象都是基于等厚度切削,并且简化为线性切削模型;三是上述研究几乎都是以一次切削为目标,忽略了前一次切削对二刀切削的影响。而螺纹硬态切削具有多刀具渐进成型切削、切削厚度呈周期性变幅值等特点,这与普通硬态切削方式有着明显差别,这使得上述三点成为本论文研究的重点。MinHwan Lee[26]在数值分析旋风铣削切削力模型分析中,提出了平均切削厚度的概念,并通过切削力和切屑形态检验了该模型的准确性。因此,根据平均切削厚度的切削机理可以将旋风铣削模型简化成线性切削模型,并探讨旋风铣削过程中存在的振动频率及分叉形式,研究切削参数对系统稳定性的影响规律,建立旋风铣削系统的三位稳定性极限曲面。
随着各学科、各部门之间技术的日益相互渗透与交叉,切削加工稳定性的研究有了更广阔的理论基础与技术手段,下面具体分析切削稳定性研究会出现的三大发展趋势:有限元模型、电流变技术、切削颤振预报。
利用有限元法研究高速切削系统稳定性相关问题,如切削温度、切削力[27]等。只要有限元分析软件和计算机的计算能力以及计算效率就可以把有限元模型的网格划分的足够细,使其最大程度地接近研究对象的实际情况,所获得的研究结果也就更有实际意义[28]。
电流变技术[29]在切削颤振控制中的应用中,是将人工智能技术和电流变材料应用于颤振预报和切削加工颤振在线抑制中,保证切削加工的稳定性。利用智能型材料的固有频率可由电场强度连续改变及材料的非线性振动特性,通过实验完成颤振的在线控制方法。
切削颤振的预报与切削颤振的综合控制的结合[30],是因为柔性制造的加工工况、加工条件及加工对象特征的变化性大,使得各种工况下的加工过程特征变化大,可比性差,监测阈值难以设定。这就要求监控系统不仅要满足在线、实时、可靠等要求,而且还应具有较大的柔性和较宽的适应性,与柔性制造单元的整体功能、节奏相协调的控制策略。