学生姓名

专业、班级

机械工程及自动化专业  级  班

指导教师

开题时间

2012年  月  日

论文题目

基于matlab的切削加工过程仿真与切削力控制研究

开题报告内容：

一、 课题研究的背景、意义 

金属切削实验研究是金属切削的科学研究的一个主要方面。金属切削实验技术的发展决定着金属切削研究的发展进步。金属切削实验技术是为金属切削加工技术的发展而服务的，因此实验技术是围绕着金属切削力的主要内容而发展的[1][2]。

切削力和切削温度是金属切削过程中的两个重要的状态参量。测量切削力和切削温度不仅可以研究切削机理、计算功率消耗、优化切削用量和刀几何参数、校核切削温度和切削力理论计算的准确性，更重要的是，可以通过力和温度的变化来监控切削过程，反映刀具磨损或破损、切削用量合理性、机床故障、颤振等切削状态，并进而控制切削过程。

    常用的切削测力仪有电阻应变片式和压电式，测量切削温度的方法有自然热电偶法和人工热电偶法两种。利用计算机采集和处理测量数据在切削实验和生产实践中已很普及。测力仪将被测的三个切削分力转化为电模拟信号，热电偶产生的热电动势也被转化为电模拟信号，输人计算机并通过A/D卡转换为数字信号，计算机对采集的数据进行各种分析处理。以切削力测量系统为例[3][4]，见下图1-1：

  1.1切削力测量的研究现状和发展趋势

     切削测力仪从五十年代发展到七十年代，其测量方法(如机械式液压式和电气式)基本上由应变式和压电式所代替。1963年德国阿亨工业大学首先研制成功采用三向压电石英力传感器的三向车削测力仪。此外瑞士苏黎士联邦工业大学对压电测力仪进行了基础理论的的研究，并与瑞士Kistler公司协作研制成功具有优良性能的压电石英传感器系列和车削、钻削、铣削测力仪及多分量测力平台，电荷放大器等等，从而完成了压电测试系统所需要成套设备，开辟了压电测试的新局面。1970年意大利在《机床设计与研究》(MTDR)发表三向压电晶体式车削测力仪。英国门切斯特大学1971年研制成二向压电晶体式平面磨削测力仪。上世纪八十年代，切削力的测量已由原来的测静态力发展到测动态力，瑞士的Kistler公司及国外其它研究部门和厂商研制的切削测力仪当时已经达到了实用水平[5]。

进入二十世纪八十年代，许多学者利用比较成熟的压电切削测力仪进行实验和研究工作，使用量日趋扩大，将采集的动态切削力信号进行各种处理，如利用动态数据建立统计预测和分析刀具破损情况，美国利用动态切削力信号建立时间序列模型，对机械加工中表面光洁度、刀具磨损进行在线控制，另外还可以建立动态数据系统，通过求得切削加工中的传递函数来评价机械加工系统的动态稳定性，同时相关分析和谱分析在机械行业数据处理中也得到广泛应[5]。切削力数据采集系统由测力仪、电荷放大器、数据采集卡、计算机系统等组成。目前利用labview编写程序虚拟机（VI）来替代传统控制电路是目前研究的主流技术方向。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势。利用虚拟仪器技术在线采集和处理多种切削参数，并对切削过程监控，具有很大的优越性。VI已经是当今计算机辅助测控领域中的一项重要技术[6]。

    目前，切削力测力系统研究仍然方兴未艾，大量研究结果表明，切削状态的每个微小变化都能通过切削力的变化反应出来，检测切削力是目前国内外研究与应用最多的监控方法之一。此种方法具有力信号比较容易采集、响应快、灵敏度高、便于在线实时测量等优点。缺点是测力仪在使用时或多或少要改变机床的原有部件，影响机床的整体特性，特别是对高精度数控机床影响更大。现代切削加工正在向高速强力切削、精密超精密加工方向发展，机床的振动频率也会远远高于系统的固有频率，

这对切削力测量系统提出了新的要求，针对这些要求，切削力测量技术将会朝着：开发新的弹性元件并优化结构；应用集成电路和微电子技术，使数据采集系统集成化，提高数据采集的速度与精度；完善数据处理分析软件的功能，将虚拟仪器技术引入切削力测试系统；建立专家系统[3][4]这三个大方向发展。

1.2切削温度测量的研究现状和发展趋势

切削热是切削过程的重要物理现象.切削热产生的切削温度是影响刀具耐用度的重要因素[1]。Oxley等人指出:切削温度还是决定切削金属变形区几何形状和切削力大小的重要因素.切削热影响积屑瘤大小和已加工表面质量，特别是在精加工和超精加工时，切削温度对加工精度的影响更加突出.因此，国内外从事金属切削研究的工作者，在切削温度的理论计算和实验技术方面，进行了大量的研究工作，已发展了许多测试技术.这些技术包括人工热电偶法，工件-刀具组成的自然热电偶法、热敏漆涂层法、高速钢金相组织变化法及红外照像法等[7]。近年来，采用这些方法进行的切削温度测量方面的研究工作如下:G.S.utter采用基于可见光范围的传感技术的加强CCD相机，以及一种正交切削实验装置测量正交切削过程中切削区域温度，以分析不同切削速度以及切削厚度对切削温度的影响。D. O'Sullivan采用嵌入式人工热电偶方法以及红外热像法分别测量了硬质合金刀具车削6082-T6铝合金时的工件温度以及刀具温度分布情况。G.Suttera设置了一个正交切削试验装置，用于测量切削过程中切屑和刀具侧面的温度场。陈明等人应用红外热像仪测温系统对高速铣削过程中切削温度的动态变化规律进行试验研究，给出了铝合金高速铣削过程中存在的临界切削速度关键数据及切削温度随切削速度的变化。通过在YG6硬质合金车刀刀片的前、后刀面上上嵌入标准热电偶的方法，分析了在不同切削参数以及冷却方法(干式切削、压缩空气、乳化液浇注以及最小量润滑方式)条件下车削复合材料时刀具的前、后刀面的温度变化情况。周泽华等人对G.Loewen,M.C.Shaw的热源法进行了推广分析并对切削过程的温度场进行了解析求解[8]。

在进行切削过程测量温度时，由于加工现场切屑和切削液飞溅、刀具或工件旋转、刀具和切屑及工件互相遮挡等因素使得现场实施困难，对切削过程的瞬态切削温度的实验测量目前仍是一个难题。

二、 课题研究的基本内容

1) 参与热管刀具和新型硬质合金（可转位刀片）刀具切削试验，协助进行刀具设计和制造。                                                   

2) 熟悉切削力、切削温度和切削热的在线试验装置、测量仪器和数据采集系统，协助进行切削实验装置设计、加工。                                           

3) 实施切削实验，完成至少三种条件下的试验数据采集。                   

4) 分析试验数据，据此提出刀具设计和切削实验参数改进意见，重复实验。                                                                                                        

5) 提交刀具设计图和切削试验装置设计图，完成毕业论文。

三、 课题研究的步骤

1) 利用学校网上图书馆系统查阅相关论文、资料等文献对所做的实验进一步了解，试着找出是否有可以完善的地方；  

2) 在带队师兄的帮助下实践在大连机床集团生产的CKA6150平床身数控车床上进行车削过程中的红外测温实验、人工热电偶测温实验、动态切削力测量实验以及量热实验；

3) 学习，实践如何利用瑞士Kistler Instrumente AG公司生产的9265A1型压电晶体式三维动态测力仪对刀具切削过程中的动态切削力进行在线测量，利用放大器和数据采集卡采集数据，并对数据进行标定、整理、计算分析，得出实验结论；

4) 学习，实践人工热电偶测温设备的安装，实验测量，利用数据采集卡采集数据信号，并且标定。利用FLIR公司的非制冷、焦平面型 ThermoVision  A20-M 红外热像仪对刀具切削过程中的温度，切削热分布等数据进行采集并作初步分析。

四、 毕业论文撰写提纲

摘要
    引言 
    1.实验原理

2.实验设计和实验仪器

    3.切削实验过程及数据记录  
    4.仿真实验结果与结论
    参考文献 

五、 课题研究的预期成果

完成对实验目标刀具在切削各种金属方面的切削力，温度的采集。对采集的信号做标定，正交处理，对实验数据作出分析。利用matlab对切削加工过程进行仿真与切削力控制研究根据分析，最后提出自己的实验结论，提出改进方案。

指导教师意见：

指导教师签名：

                      年    月    日

文献综述内容（与论文主题相关的国内外研究理论、研究方法、进展情况、存在问题、参考依据等）：

根据文献[9]所述：文献金属切削原理的研究始于19世纪中叶的法国。1904年，英国人J.F.尼科尔森制造了第一台三向测力仪，使切削力的研究水平跨前了一大步。1915年，俄国人乌萨乔夫将热电偶插到靠近切削刃的小孔中测得了刀具表面的温度(常称人工热电偶法)，并用实验方法找出这一温度同切削条件间的关系。1924～1926年,英国人E.G.赫伯特、美国人H.肖尔和德国人K.科特文各自独立地利用刀具同工件间自然产生热电势的原理测出了平均温度（常称自然热电偶法）。近20年来，新兴的宇航工业的诞生，数控机床和适应控制机床的出现，尤其是近10年来，由于计算机技术的飞速发展，又兴起了计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)，甚至已经推动人们向整体计算机控制的自动化工厂的目标进军。自六十年代末开始，美、日、德、英等国普遍采用近代先进的电子检测仪器迸行金属切削的研究，例如用高压透射电子显微镜(HTEM )、扫描电子显微镜( SEM )、俄歇电子光谱仪(AES )、电子探针显微分析仪(EPMA)、离子探针质谱仪(IPMS)、能散射X光分析仪(EDXA)和X光衍射仪等来研究金属切削过程中切屑的变形、刀具的磨损和己加工表面质量，甚至现在已发展到能用扫描电子显微镜在控制温度的条件下直接对切削过程进行动态观察研究。又加上电子计算机、电视录相机的应用和各种动态测力仪、光测弹性应变仪、红外测温技术、高速摄影机、快速退刀技术等进一步完善，使国外从七十年代开始，金属切削的研究已从宏观观察进入到微观的定性定量分析研究，从静态研究进入到动态研究，从单项因素的研究进到多项因素综合研究。   

目前，针对在线测量刀具切削过程中的动态力，以及测量刀具温度的方法和实现各国学者系统地总结和发展了前人的研究成果，充分利用近代技术和先进的测试手段，取得了很多新成就，发表了大量的论文和专著。在动态切削力方面，虚拟机技术越来越多的应用到切削实验中的数据采集中，最近十几年的研究偏重于对数据采集系统的性能的集成开发，也有大量的精力投入到利用新的软件对采集到的数据分析过程中的参数进行整理分析，建立数据库等等。在温度采集标定相关的切削实验研究中，我重点关注应用现在利用红外线扫描刀具表面发射信号，再通过数学软件进行分析处理，可以得到动态的误差小的被测目标的温度参数，这一方面的研究报告。就以上内容，本人查询相关资料如下：

文献[10][11]介绍了在线测量动态切削力的相关理论方法，和实验技术，实验仪器设备方面的知识实例。同时，定性研究动态特性，分析动态测量的理论误差。文献[8]梁良博士对原型外圆车刀的刀片进行红外光谱发射率标定，进而通过红外测温实验的方法获取原型外圆车刀在切削过程及切出瞬间刀片前刀面温度场的特征。同时，采用在刀具上嵌埋人工热电偶的方法，对切削过程刀具上几个特定点温度随时间的变化进行测量。文献[12]利用红外测温仪扫描工件得到部分数据, 然后通过matlab 软件插值构建工件温度场, 并对该方法得出的温度进行误差分析。文献[13]是在传统切削速度加工相关技术基础上的发展与创新。归纳了高速切削中切削温度实验测定方法和数值计算方法, 指出了各种方法的优缺点及适用性。文献[14][摘要]建立了基于拉格朗日增量法的切削有限元模拟模型并分析了正交干切削6061 T-6过程中切削力以及切削温度的变化.计算结果包括切屑形态以及应变、应力、应变速度和温度的分布。

同时针对相关实验原理实验仪器以及技术支持，本人也查看了一些论文文献，在此列出部分内容：

    文献[15]文献介绍了目前主流切削力仪器的传感原理，和测量特性。文献[16]介绍了一种刀具一工件自然热电偶无损标定装置。该装置根据热电偶的中间导体定律，将中间导体作为热源，使标准热电偶和待定热电偶的热端等温，完成标定工作。该装置还可对刀片冷端温升进行补偿。文献对标准热电偶和待定热电偶的热端是否等温进行了检验，证明该装置有足够的标定精度。[17]介绍红外测温仪在线监测精密加工过程中车削工件的温度场。对在线测温度系统进行设计，并针对车削工件温度监测准确度进行分析。

    未来利用红外线对测量温度标定的实验技术会逐渐成熟，同时目前越来越多的金属切削刀具温度的研究选择利用这种方法或者对其改进的。总结资料，我认为这种实验技术应该方兴未艾。

参考文献

[1] 周泽华主编.金属切削原理[M]，上海科学技术出版社 1984.

[2] 袁哲俊.金属切削实验技术[M].机械工业出版社 1988

[3] 杨化建，王勤贤.测力传感器研究的发展综述[J].山西机械 2003,(1).

[4] 李娟，徐宏海，袁海强.切削力测量技术现状及其发展趋势分析[J].现代商贸工业2007,6 Vol.19, No.6

[5] 王蕾.切削力测量仪的开发[D].兰州理工大学硕士论文.2008，5,16

[6] 康文利,伊淑梅,卢永霞.切削力数据实时采集及处理的虚拟仪器设计[J].矿山机械 2004，11

[7] 刘战强，黄传真，万熠，艾兴.切削温度测量方法综述[J]，工具技术，2002 36:3-6.

[8] 梁良.面向绿色的热管刀具散热性能研究[D]，华南理工机械工程学院博士论文，机械工程及自动化专业，2011.04.08

[9] 成都工具研究所,国外金属切削基础理论研究的动向[R] 2005,8

[10] 刘晓东.应变式切削测力系统动态特性的研究[J] 工业仪表与自动化装置.1999,5

[11] 隋天中.三向测力仪标定的数据采集与处理系统[J].测量技术1990,7

[12] 陈东生，李尚政.车削工件温度场的构建与误差分析[R]，工具技术2003,Vol.37,No.12

[13] 何振威，全燕鸣，林金萍高速切削中切削温度研究方法[R].现代制造方法 20 05（8）.

[14] 林峰.干切削过程中切削力和切削温度的数值模拟及试验[J].暨南大学学报(自然科学版)2010,2

[15] 卢文祥.切削测力仪的发展概况[J].振动与动态测试,1985,3

[16] 陈五一，常兴，钟国晋.刀具-工件自然热电偶无损标定装置[J].1994,11 No.4

[17] 陈东生，李尚政.红外测温仪在车削工件温度场监测中的应用[R].传感器技术 2002 Vol.21 No.10