具有深腔曲面特点的核心零部件,广泛应用于石油、化工和航空航天等领域的重大装备中。该类零部件空间相对狭窄,加工过程中刀具系统悬伸长、刚性弱,零部件材料切削加工性差、切削力大,很容易出现颤振现象,导致表面质量差。为了避免颤振,选取的加工参数往往很保守,严重降低设备利用率。研究该类零部件加工的切削力与动力学,对优化加工工艺和加工参数,改善表面加工质量,提高加工效率等具有重要意义。为此,本文针对深腔曲面五轴加工,基于基底变换的研究方法,分析刀具与工件间的接触几何,从材料切削特性出发建立球头铣刀力学模型,结合试切实验识别的刀具系统模态参数,最终实现了深腔曲面五轴加工铣削力与振动稳定性预测。主要研究内容概括如下:(1)基于基底变换思想,提出了一种深腔曲面五轴加工分析方法。沿刀具轨迹,将深腔曲面五轴加工的每个刀位点离散为简单几何工件五轴加工。参数化定义刀具坐标系、刀轴、进给和工件间位置关系,以新基底构建抽象二维空间,建立了深腔曲面五轴加工刀位点与空间点集的映射关系。进一步将刀位点的切削力与动力学研究结果均匀存储于空间中,改变铣削力与振动稳定性预测过程为数据提取的过程。(2)针对深腔曲面五轴加工,基于解析法分析了刀具工件间接触几何。斜平面五轴加工和凹月牙圆柱面五轴单笔清根加工中,解析表达前一条刀具轨迹扫掠面、当前刀具轨迹扫掠面、余量横截面和待加工表面等,并利用空间曲面求交获得了刀具接触区域边界。分别基于刀具接触区域限定法和空间限定法,提出了两种深腔曲面五轴加工的刀刃接触区间解析算法。该解析法与实验、实体建模法和离散法相比,可以同时兼顾效率和精度。(3)考虑材料切削过程中的动态力学特性和介观尺度效应,建立了球头铣刀铣削力模型。针对离散的刀刃微元斜角切削,分析第一变形区和第三变形区受力。其中,塑性剪切流动应力考虑了材料切削过程中的应变硬化、应变率强化、热软化和介观尺度效应,并设计了位错密度修正实验;利用线性关系近似表述了摩擦系数与切削厚度、切削速度和前角的关系;切削厚度考虑了刀具偏心的影响。深腔曲面五轴加工铣削力实验表明,测量力与预测力在幅值和趋势上吻合良好。(4)提出一种刀具系统模态参数识别方法,并建立了深腔曲面五轴加工振动稳定性预测模型。基于零阶单频法,结合实验获取的颤振频率和极限切深,反算出系列刚度、固有频率和阻尼比,并进一步选取最优模态参数。该识别方法得到了锤击实验的对比验证,且能反映刀具系统工作状态下的模态特性。结合动态铣削力和模态参数,构建了弱刚性刀具系统的振动微分方程,通过全离散算法求解传递矩阵特征值,依据Floquet理论判断加工系统的振动稳定性。进一步分析了转速、切深、步距、进给和刀轴矢量等对振动稳定性的影响。深腔曲面五轴加工振动稳定实验表明,测量结果与预测结果一致。