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1.3研究的目的和意義

研究目的和意義如下：

(1)車銑加工中心需求方面：國內(nèi)外急需該產(chǎn)品，尤其航空、航天 等軍工領(lǐng)域。由于車銑加X中心是屬于高檔數(shù)控機(jī)床，可以實(shí)現(xiàn)五軸 聯(lián)動加工，不僅能完成復(fù)雜曲面加工，而能獲得好的表面質(zhì)量。如果 制造出高性能的車銑加工中心必然能夠推動制造業(yè)的快速發(fā)展，因此為著滿足各項(xiàng)需求，研究車銑加工中心是非常有意義的。

(2)正交車銑加工技術(shù)方面：由于正交車銑加工應(yīng)用廣泛，因 此本文只對正交車銑加工機(jī)理進(jìn)行深入研究。正交車銑技術(shù)是一種*加工方法，不僅能加工軸類零件、而且對復(fù)雜零件車銑加工也能很好 解決。因?yàn)樗粌H能加工奇特的形狀，而且能通過一次裝卡完成所有或大部分零件的加工，其加工精度、加工效率都明顯提高，因此對其進(jìn)行機(jī)理分析具有理論研究價值。

(3)解決關(guān)鍵技術(shù)的手段方面:研究開發(fā)一臺車銑復(fù)合加工中心 需要多種方案的反復(fù)比較及試驗(yàn)，也需要大量的技術(shù)投資和較長時間。 因此國內(nèi)的機(jī)床制造企業(yè)常常無力進(jìn)行此項(xiàng)開發(fā)研究工作。車銑復(fù)合 加工中心有其自身特點(diǎn)和要求，如何在設(shè)計階段采用計算機(jī)建模與仿 真技術(shù)解決該機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，是目前機(jī)床界采用該技術(shù)要研究的重 點(diǎn)，可在計算機(jī)上對其數(shù)學(xué)模塑或三維實(shí)體模型進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和樣機(jī) 評價，其結(jié)果直接反饋修改設(shè)汁數(shù)學(xué)或三維實(shí)體模型。對實(shí)體機(jī)床的 實(shí)驗(yàn)和評價過程可以*用計算機(jī)虛擬地進(jìn)行，節(jié)約了大量樣機(jī)試制 投資，也縮短了開發(fā)閶期。

(4)解決關(guān)鍵技術(shù)的必要性方面:從2009年和2011年的“高檔數(shù) 控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)中可知，對車銑加丄中心的研 究，其內(nèi)容包括產(chǎn)品設(shè)計與制造技術(shù)、機(jī)床動態(tài)特性研究、加工工藝技 術(shù)的研究、雙功能車銑轉(zhuǎn)臺設(shè)計與制造技術(shù)研究。由此可見對車銑加工中心的兩大關(guān)鍵技術(shù)（機(jī)床動態(tài)特性和加工性能）研究是非常有意 義的。

①動態(tài)特性的研究。車銑加工中心的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性是非常重要 的，直接影響到機(jī)床的加工精度。它包括關(guān)鍵部件動態(tài)特性和整機(jī)的 動態(tài)特性。從國內(nèi)外參考文獻(xiàn)可知：蘭州理工大學(xué)謝黎明[631對車銑復(fù) 合加工中心主軸結(jié)構(gòu)的有限元分析，只簡單對車銑主軸靜態(tài)和模態(tài)分 析;東北大學(xué)張耀滿W和加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)YUZh〇ngCao[^67j 等人對主軸動態(tài)特性進(jìn)行虛擬仿真，也都采用彈簧一阻尼單元代替軸 承支撐，但沒有詳細(xì)將軸承剛度和跨度對固有頻率的影響規(guī)律以及軸 承剛度和阻尼對振幅的影響規(guī)律進(jìn)行分析，本文將上述規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

在整機(jī)動態(tài)特性分析中，華中科技大學(xué)王學(xué)林[7(U1]對高速加工中 心進(jìn)行有限元分析，討論了不同位置導(dǎo)軌的剛度變化對高速加工中心 固有頻率的影響;楊曉京采用虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床的設(shè)計開 發(fā)，吳南星[52$]等人采用虛擬樣機(jī)對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分 析。本文采用基于剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的虛擬樣機(jī)方法對車銑加工中心進(jìn)行 激振仿真分析，這種方法是在虛擬樣機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上的推廣，更接近實(shí)際 情況，進(jìn)行研究是非常有研究意義的。

在車銑加工中心的動力學(xué)分析中，針對電機(jī)參數(shù)選擇和零件設(shè)計 等問題，作者曾在3-TPS混聯(lián)機(jī)床[47]中提出自己的創(chuàng)新方法，在這個 基礎(chǔ)上將柔性體引人到虛擬樣機(jī)中，此方法能更準(zhǔn)確地預(yù)測車銑加工 中心的驅(qū)動力大小，因此具有實(shí)用研究的意義。②加工性能的研究。車銑加[:是一種*的切削方法，不冋于普 通車削和銑削，但又存在相似之處。國內(nèi)外專家和學(xué)者對通常車削和 銑削加工的切屑研究比較深人，既有理論建模，也有仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)i正。 但從歷年發(fā)表關(guān)于車銑切屑研究的文獻(xiàn)可知，很少有研究學(xué)者對其進(jìn)行深入研究。其中沈陽理工大學(xué)姜增輝[121研究得比較早，也比較深 入，為車銑加工奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)，但其更側(cè)重工無偏心切屑建模，且 建模方法復(fù)雜;沈陽理工大學(xué)金成哲132]，北京理工大學(xué)的劉克非[36]等 人對切屑的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，但沒有進(jìn)行切屑理論建模與分析；德國的 H.Sdnilz1^1和斯洛文尼亞M. Pogadnkn6]利用實(shí)驗(yàn)等方法對切削加 工表面質(zhì)M進(jìn)行了研究，同時也提到叻屑的重要性；克羅地亞Skoric- Stephar^91利用車銑技術(shù)對旋轉(zhuǎn)工件表面加工的可行性進(jìn)行了研究，提 到切昶的大致形狀。但到S前為止還沒有完整的切屑建模，因此對車 銑切屑，允K偏心切削研究是非常重要的。

機(jī)床顫振會使加工過程變得不穩(wěn)定，造成加工表面質(zhì)量和金屬切 削宇?的下降，嚴(yán)重時甚至?xí)茐牡毒吆蜋C(jī)床。因此，顫振成為提高機(jī)床 加I:能力的主要障礙之一。顫振是由于工件和刀具相對振動，而導(dǎo) 致切屑厚度時時變化。由于切削力與切屑厚度是成正比例，整個機(jī)床 模態(tài)發(fā)生自激振動，導(dǎo)致不穩(wěn)定顫振發(fā)生如果不避開顫振，0 前顫振加工導(dǎo)致壞的加工表而，刀尖受損嚴(yán)重，主軸和工作臺結(jié)構(gòu)承受 大的動態(tài)載荷，因此切削力和顫振都是非常重要的。在車削和銑削對 切削力的研究比較成熟，但車銑加工中切削力的研究很少。沈陽理工大學(xué)的姜增輝[331對車銑無偏心切削力進(jìn)行了理論預(yù)測，以瞬時切削面 積為主要研究對象建立了瞬時切削力的計算模型，并對瞬時切削力的 變化進(jìn)行了仿真。吉林大學(xué)的馬巖[34]利用球頭銑刀對非軸對稱工件 車銑加r的切削力建模與分析，計算車銑加工工藝參數(shù)對理論切削力 的影響規(guī)律；目前為止仍沒有解決車銑加工時有偏心切削力的預(yù)測，同 時也沒有對顫振進(jìn)行研究，國內(nèi)外都處于空由階段。在普通的車削和 銑削方面，國外研究比較深入，如1990年,J.TIusty[76]等人提出機(jī)床非 線性顫振；1995—2004年，Y. Altintas177—8^90%教授分別提出單自由度、多自由機(jī)床加工顫振，以及球頭銑刀三維顫振；針對銑刀螺旋角對顫振影響進(jìn)行分析，但都沒有對車銑 加工進(jìn)行研究。山于車銑加工是出兩根主軸同時旋轉(zhuǎn)運(yùn)動合成，閩此 進(jìn)行探索研究是非常有意義的。

車銑表面的微觀形貌是車銑基礎(chǔ)理論研究的一個重要組成部分。 已加工表面形貌對工件成為機(jī)器零件后的使用性能有很人影響，有一 定規(guī)則的表面花紋模樣可使模具表而的接觸更趨均勻，提高模具表面 的耐磨性。表而形貌包括表而粗糙度，波紋度，紋理方向等參數(shù)。工件 已加工表面形成質(zhì)tt主要也是基本的參數(shù)之一就是表面粗糙度， 它是反映零件表而上微觀幾何形狀誤差的一個重要指標(biāo)，它主要是由 于在加1:過程中刀具和零件表而之間的摩擦，切屑分離時塑性變形和 金屬撕裂，以及工藝系統(tǒng)中存在的高頻振動等原因所形成的。通過長 期的生產(chǎn)實(shí)踐使我們認(rèn)識到，降低零件的表面粗糙度，保證配合的可靠 性和穩(wěn)定性，是我們追求的目標(biāo)，因此獲得好的方法是非常重要的。國 內(nèi)外對車銑加工表而粗糙度研究比較多，如土耳其的￥^^53708[61]利 用遺傳算法對車銑加:1:表面粗糙度進(jìn)行優(yōu)化;劉克非1361對微小型車銑 加工表而粗糙度進(jìn)行正交試驗(yàn)研究;姜增輝[12]分別對正交車銑鋁合金 了件表而粗糙度和正交車銑已加工表面微觀形貌進(jìn)行模擬研究；潘家 華對正交車銑表面形貌的計算機(jī)仿真等。本文在無顫振條件下，通 過銑刀軌跡構(gòu)造函數(shù)的方法對表面形貌和粗糙度進(jìn)行仿真，分析車銑 加工中心表面形貌及粗糙度是很有意義的。

由上述研究目的和意義可知，通過對車銑加工中心釆用計算機(jī)建 模與仿真技術(shù)的研究，能實(shí)時、并行地模擬出機(jī)床的未來制造全過程及 其對加工中心設(shè)計的影響，預(yù)測機(jī)床的性能、成本和可制造性，從而有 助于更冇效、更經(jīng)濟(jì)靈活地組織生產(chǎn)，使工_廠和車間的資源得到合理配 置，并使生產(chǎn)布局更合理、更有效。釆用計算機(jī)建模與仿真技術(shù)可以在 設(shè)計階段就進(jìn)行驗(yàn)證，確保設(shè)計的正確性，避免損失，從而可以縮短產(chǎn) 品的研制周期，獲得的機(jī)床質(zhì)量、低的成本和短的開發(fā)周期， 為此提出了本課題的研究。通過釆用計算機(jī)建模與仿真技術(shù)對該加工中心在實(shí)際投入生產(chǎn)之前對該機(jī)床的可制造性和可生產(chǎn)性等各方面性 能進(jìn)行驗(yàn)證，然后對該機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證一次性生產(chǎn)成功，從而降低 成本、減少上市時間，提高企業(yè)的競爭力。W此，本課題利用計算 機(jī)建模與仿真技術(shù)對車銑加下中心的研究和應(yīng)用是具有重要理論意義

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