銑削製程之特徵分析及含製程阻尼之臨界切深預測

Abstract

本文經由二維動態銑削系統之特徵值及特徵向量探討穩定與不穩定切削狀態下銑削力及振動之二維軌跡特性，並提出預測臨界切深公式及判別製程阻尼常數之方法。首先分析零階方向矩陣與結構動態所構成之定向轉移函數矩陣並推導系統特徵方程，據以獲得顯示極限軸深與轉速關係之穩定葉瓣圖。分析發現逆銑型態之顫振頻率取決於刀具運動方向x之模態自然頻率，而順銑之顫振頻率則由垂直刀具運動方向y之模態所決定。接著針對具有對稱結構之銑削製程，利用方向矩陣之特徵向量呈現顫振時銑削力和刀尖振動之軌跡。其提供包含軌跡形狀特徵、定向角和繞行方向等資訊，使能更明確地判別顫振發生。研究發現顫振之動態力軌跡在低徑深時呈線性，而高徑深時呈逆時針橢圓狀，接近槽銑則近似為圓形。此外，順和逆銑型態之振型方向分別指向刀具進給方向的左和右側。然而在穩定銑削情況，其穩態銑削力軌跡則顯示為順時針方向之橢圓。接著利用系統特徵值之解析式推導出具穩定加工之最佳、最差主軸轉速及其臨界軸深之公式。使無需經由穩定葉瓣圖得以快速獲得最佳與最差主軸轉速，方便進行趨穩避振之線上製程規劃。最後考慮刀腹犁切機制所產生製程阻尼效應對系統穩定性之影響。從包含切向與徑向犁切常數之局部動態切削力模式推導出製程阻尼係數矩陣，經解耦合獲得等效製程阻尼比，再與結構阻尼比結合得出含製程阻尼效應之系統特徵方程及不同轉速下之臨界切深曲線公式。應用在一般實務系統無需預知結構模態及切削參數等前置作業限制下，經由穩定性實驗獲得之兩組轉速與臨界切深即可建立此曲線公式。經此曲線公式可進一步提供理論上具無限穩定切深之漸進轉速及判別徑向犁切常數之方法。本文在穩定及不穩定製程下之銑削力和刀具振動軌跡分析及臨界切深預測與犁切常數之判別，均經實驗驗證解析模式之有效性。

Date of Award	2017 Jan 18
Original language	Chinese
Supervisor	Junz Jiunn-jyh Wang (Supervisor)