基于加工過程建模的模具鋼多軸高速銑削表面完整性研究.pdf

1、隨著航空、航天、汽車、模具、能源動力等制造領(lǐng)域產(chǎn)品復(fù)雜程度的提升，復(fù)雜曲面的應(yīng)用越來越多，對關(guān)鍵零部件的加工技術(shù)提出了更高的要求。由于多軸數(shù)控加工刀軸矢量靈活可控，可優(yōu)化刀具與工件的接觸點(diǎn)位置及相對空間姿態(tài)，加工范圍廣，加工高效性顯著，在高端制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。多軸銑削技術(shù)是多軸數(shù)控加工的典型代表，加工表面完整性對復(fù)雜曲面零部件的使用性能、壽命及裝備的可靠性具有至關(guān)重要的影響。本文針對多軸高速銑削加工過程、表面完整性及工藝優(yōu)化展開

2、研究，具有重要的理論與應(yīng)用價值。
　　采用計算機(jī)輔助建模技術(shù)，構(gòu)建了多軸銑削切屑的三維幾何模型，研究了多軸銑削各類傾角工況對應(yīng)的刀-工接觸區(qū)變化規(guī)律，分析了逆銑工況參切的刀具轉(zhuǎn)角范圍隨刀具傾角的變化規(guī)律。綜合考慮切削截面積、截面周長變化及參切轉(zhuǎn)角范圍，正前傾角、負(fù)側(cè)偏角及負(fù)側(cè)偏角和正前傾角復(fù)合傾角較理想。若為提高刀具壽命，對切削過程最大切削力和平均切削力有特殊要求，可優(yōu)先選擇負(fù)側(cè)偏角、正前傾角或負(fù)側(cè)偏角和正前傾角復(fù)合傾角;解析描述

3、了刀齒某點(diǎn)的空間運(yùn)動軌跡，得出了多軸高速銑削刀齒的空間掃掠軌跡和掃掠曲面;構(gòu)建了基于三維球頭銑刀建模的有限元仿真模型，研究了不同傾角對應(yīng)的刀-工接觸線隨刀齒轉(zhuǎn)動的變化規(guī)律，對比特定傾角對應(yīng)的切削力試驗(yàn)值與仿真值，分析了切屑形成的異同，提取了各傾角工況對應(yīng)的瞬時最大切屑溫度。研究發(fā)現(xiàn):最大切屑溫度隨側(cè)偏角增大而增大，這主要是由于參切刃段的有效切削速度隨側(cè)偏角的增大而增大;不同前傾角工況對應(yīng)的最大切屑溫度總體變化趨勢并未呈現(xiàn)出明顯的不同。分

4、析了不同粗加工、半精加工及精加工工況下的切屑形態(tài)和顏色，觀測、討論了實(shí)際切屑的微觀形態(tài)特征，檢測了切屑自由曲面和背面的元素分布;粗加工和半精加工易發(fā)生劇烈的變形和摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生大量的切削熱，促進(jìn)生成較多呈紅色的鐵的氧化物;剪切區(qū)的瞬時熱-機(jī)械耦合效應(yīng)會影響最終切屑形貌。切削熱的存在會促進(jìn)切屑與環(huán)境中活性氣體元素的化學(xué)反應(yīng)。
　　基于正交切削、斜角切削理論、矩陣轉(zhuǎn)換及球頭銑刀幾何特征分析，探討了多軸銑削微元刃剪切區(qū)切削應(yīng)力和溫度等物

5、理量的時空變化規(guī)律，分析了多軸銑削刀具-工件接觸區(qū)域和切削刃參切條件，仿真了各向切削力的變化規(guī)律;建立了多軸高速銑削三維有限元仿真模型，分析了各類傾角條件下最大切屑溫度隨刀齒轉(zhuǎn)動的變化規(guī)律，探討了不同傾角加工時切屑分離瞬時工件溫度場的空間分布狀態(tài)，對比了各類傾角條件下的能耗和力矩。
　　研究了各類多軸銑削工藝對應(yīng)的參切刃段有效切削速度;檢測并分析了多軸順/逆銑加工側(cè)偏角、前傾角、復(fù)合傾角及切削參數(shù)對加工表面殘留高度、粗糙度、宏微觀

6、表面紋理和形貌、表面損傷的影響規(guī)律;重點(diǎn)分析了多軸逆銑復(fù)合傾角工況加工特點(diǎn)及加工表面殘留高度直方圖和表面載重比的變化規(guī)律;研究表明:多軸逆銑加工時，有效切削半徑及切削速度隨負(fù)側(cè)偏角絕對值的增大而增大;隨正側(cè)偏角增大時，上限切削速度先降低后增大，下限切削速度逐漸增大;其他類型多軸銑削工況的有效切削速度可與多軸逆銑側(cè)偏角工況類比;多軸高速銑削加工表面紋理方向直接決定于靠近最終成形表面的一系列參切微元刃的切削速度方向;加工表面損傷主要形式為凸

7、痕、凹坑、微觀裂紋及點(diǎn)蝕等。分析了多軸順銑加工表面二維輪廓波動情況，理想情況下間歇進(jìn)給的殘留高度僅與球刀半徑、切削寬度有關(guān)。
　　研究了多軸銑削工藝參數(shù)對加工表面殘余應(yīng)力、表面硬度及表面變質(zhì)層的影響規(guī)律。多軸逆銑或順銑加工時，0°附近的側(cè)偏角和前傾角加工時易產(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力，主要是由靠近刀尖參切刃段的擠壓作用和較低的有效切削速度引起的。綜合考慮各類傾角工況對應(yīng)加工表面幾何特征，針對逆銑加工工況，可優(yōu)選刀軸轉(zhuǎn)角210°和330°對

8、應(yīng)的復(fù)合傾角，以期在進(jìn)給和間歇進(jìn)給方向均獲得殘余壓應(yīng)力，有利于零部件抗疲勞性能的提高。加工表面殘余應(yīng)力狀態(tài)無嚴(yán)格要求且需采用順銑工況的場合，22.5°、315°刀軸轉(zhuǎn)角附近復(fù)合傾角可采用，通?？蓛?yōu)選正側(cè)偏角和正前傾角組合。逆銑加工時，各側(cè)偏角工況加工表面硬度大于相對應(yīng)的前傾角加工表面硬度;表面硬度隨前傾角增大的變化并不明顯;順銑加工表面硬度隨側(cè)偏角和前傾角的增大，總體均近似出現(xiàn)雙峰狀。針對復(fù)合傾角工況，逆銑加工時，綜合考慮里氏硬度和顯微

9、硬度，刀軸轉(zhuǎn)角60°、120°和210°加工表面硬度較高，刀軸轉(zhuǎn)角180°加工表面硬度較小。順銑加工時，加工表面硬度隨刀軸轉(zhuǎn)角增大總體上呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，315°刀軸轉(zhuǎn)角附近復(fù)合傾角加工表面硬度較大。多軸高速銑削表層材料受到切削熱和機(jī)械載荷的綜合作用，會產(chǎn)生組織致密化等現(xiàn)象;最表層鐵元素含量急劇增加，同時檢測到一些氧元素。
　　基于前述理論分析、幾何建模、有限元仿真及試驗(yàn)檢測分析，進(jìn)行了順銑和逆銑的響應(yīng)曲面試驗(yàn)。分析了考慮

10、交互作用的各工藝參數(shù)對各評價指標(biāo)的影響規(guī)律，提煉了各類目標(biāo)/約束對應(yīng)的優(yōu)化工藝方案，得出了切削過程及加工表面各評價指標(biāo)與多軸銑削工藝參數(shù)間的多項(xiàng)式回歸方程，進(jìn)一步采用遺傳算法，構(gòu)建了目標(biāo)函數(shù)，采用Matlab軟件計算出最理想的目標(biāo)函數(shù)值對應(yīng)的工藝參數(shù)組合，可輔助響應(yīng)曲面法優(yōu)化工藝方案指導(dǎo)實(shí)際加工。理想度最高的多目標(biāo)協(xié)調(diào)響應(yīng)曲面優(yōu)化工藝方案與最理想的遺傳算法優(yōu)化方案吻合。構(gòu)建了典型曲面三維幾何模型，結(jié)合加工實(shí)際，依據(jù)工藝優(yōu)化方案，制定了合