介观尺度铣削力与表面形貌建模及工艺优化研究

论文摘要

近年来,小型化已经成为产品设计与开发的趋势。小型化产品零件的尺寸范围为0.1～10mm,几何特征尺寸在0.01～1mm之间,即属于介观尺度的范畴。目前应用于介观尺度零件制造的主要技术是衍生于微电子技术的微机电系统(MEMS)技术和超精密加工技术。由于MEMS技术存在着难以加工复杂3D形状产品、加工材料有限、相对精度低等种种限制,超精密加工设备体积庞大、价格昂贵、加工成本高、空间及能源消耗大、生产效率低下,因此都不适合现代快速响应制造的要求。将传统的机械加工技术与小型化技术相结合而诞生的微细制造技术,采用小型化的机床系统,可以减少热变形误差,提高响应速度,进而达到较高的相对精度,可加工具有复杂3D形状、任意材料的零件,且设备价格便宜、空间利用率高、能源消耗小,从而大大降低生产成本,是实现介观尺度零件制造的必然选择。本文以介观尺度铣削工艺为研究对象,开展铣削工艺机理及优化研究,旨在为微细制造技术的商业化应用奠定理论基础,指导介观尺度铣削加工过程。在借鉴和吸收国内外先进研究成果的基础上,开发微型三轴数控铣床系统;以此为实验平台,开展介观尺度铣削机理研究,考虑主轴跳动及间断性切屑成形的影响,将铣削过程划分为以犁切力主导的弹塑性变形阶段和以剪切力主导的切屑成形阶段,建立介观尺度铣削三维力学模型;将铣刀简化为阶梯状悬臂梁结构,结合切削刃摆线轨迹与铣刀受力过程中的柔性变形,建立介观尺度铣削表面形貌模型;最后,综合考虑铣削表面成形精度和材料去除率,建立铣削工艺优化模型,基于Matlab平台的遗传算法,进行铣削工艺优化研究。主要研究工作如下:(1)微型三轴数控铣床系统开发重点研究微型三轴数控铣床系统开发,阐述微型铣床工作台子系统、运动控制子系统、主轴子系统、刀具子系统、动态切削力监测子系统的构成及相互关系,结合加工实例介绍微型铣床切削加工过程,并对机床整体性能、精度控制等方面加以分析及评价。微型三轴数控铣床系统开发为后续章节的研究打下基础。(2)介观尺度铣削力建模与仿真介观尺度铣削工艺受到尺度效应的剧烈影响,表现出特殊的工艺现象和力学特征。考虑到切削刃摆线轨迹和刀具跳动度的影响,指出介观尺度铣削普遍存在的单齿切削现象,并提出相应的判据和计算名义瞬时切削厚度的模型和算法;结合介观尺度铣削过程特有的、由最小切削厚度引起的切屑不连续现象,建立实际铣削过程中切削厚度累积模型;将铣削过程划分为犁切力主导的工件弹塑性变形阶段和剪切力主导的切屑成形阶段,针对不同阶段建立铣削力模型;在此基础上,开发介观尺度三维铣削力仿真系统,在自行开发的微型三轴数控铣床上进行切削实验,验证模型和算法的正确性。该模型克服了直接将传统铣削力模型应用于介观尺度铣削而引起的仿真精度低的缺点,可用于指导铣削加工工艺参数的设计与优化。(3)介观尺度铣削表面形貌建模与仿真为预测给定工艺条件下的铣削表面形貌及加工精度,将微型铣刀简化为阶梯状悬臂梁结构,运用虚位移原理建立柔性铣刀弹性变形模型;将铣刀柔性变形量耦合到切削刃铣削轨迹方程中,建立面向介观尺度铣削的螺旋棒铣刀周铣表面创成模型,并提出介观尺度铣削表面形貌三维仿真算法;考虑铣削方式、进给率、主轴转速、径向切深等四因素,设计介观尺度铣削正交试验,分析各因素对铣削表面精度的影响,并验证模型的有效性。介观尺度铣削表面形貌建模为铣削工艺优化提供理论基础。(4)面向介观尺度铣削表面精度与加工效率的工艺优化设计介观尺度铣削一方面需要确保较高的加工表面精度,另一方面在实际切削过程中还应尽量提高加工效率。在上述研究的基础上,以铣削表面精度和材料去除率为优化目标,以铣削方式、进给率、主轴转速、径向切深为优化变量,建立面向介观尺度铣削表面质量和加工效率的优化模型,运用遗传算法实现铣削工艺优化。通过与铣削试验结果的比较表明,优化解不仅可以确保预期的铣削加工精度,还可以大大提高材料去除率,减少切削加工时间,从而提高加工效率,降低生产成本。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景、意义及来源
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.1.3 课题来源
• 1.2 国内外相关研究现状综述
• 1.2.1 微型加工设备与微细制造技术可行性研究
• 1.2.2 宏观尺度铣削加工机理与工艺研究
• 1.2.3 介观尺度铣削加工机理与工艺研究
• 1.2.4 铣削表面形貌与成形误差研究
• 1.2.5 铣削表面优化工艺方法
• 1.3 进一步研究的方向
• 1.4 全文总体研究思路及研究内容
• 第二章 微型三轴数控铣床开发与加工实例
• 2.1 引言
• 2.2 微型机床设备开发研究现状
• 2.3 微型三轴数控铣床开发
• 2.3.1 微型铣床硬件与布局
• 2.3.1.1 进给子系统
• 2.3.1.2 主轴
• 2.3.1.3 微型铣刀
• 2.3.1.4 运动控制器
• 2.3.1.5 切削力实时测量系统
• 2.3.2 数控系统与操作
• 2.3.3 微型铣床标定
• 2.4 微型铣床加工工艺与实例
• 2.4.1 加工流程与控制
• 2.4.2 实例
• 2.5 本章小结
• 第三章 介观尺度铣削力建模与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 铣削力建模方法
• 3.2.1 宏观尺度铣削力建模方法
• 3.2.2 介观尺度铣削力建模方法
• 3.2.3 切削力建模方法小结
• 3.3 介观尺度铣削切屑成形模型
• 3.3.1 传统瞬时切削厚度模型
• 3.3.2 考虑主轴跳动度的切削轨迹模型和单齿切削现象
• 3.3.3 名义瞬时切削厚度计算模型
• 3.3.4 实际切削过程瞬时累积切削厚度计算模型
• 3.4 介观尺度铣削力模型
• 3.4.1 切入切出角的计算
• 3.4.2 三维铣削力模型
• 3.5 模型参数识别方法
• 3.5.1 参数识别方法推导
• 3.5.2 模型参数识别实验设计
• 3.6 介观尺度铣削力仿真系统
• 3.6.1 系统框架
• 3.6.2 子模块算法流程
• 3.7 铣削力实验验证与分析
• 3.8 介观尺度铣削力力学特点分析
• 3.8.1 逆铣切削力分析
• 3.8.2 顺铣切削力分析
• 3.8.3 介观尺度铣削力力学特征分析
• 3.9 本章小结
• 第四章 介观尺度铣削表面形貌建模与仿真
• 4.1 引言
• 4.2 铣削表面形貌与成形误差建模方法综述
• 4.3 介观尺度铣削表面形貌建模
• 4.3.1 理想铣削成形表面形貌
• 4.3.2 微型铣刀铣削过程变形模型
• 4.3.3 介观尺度铣削加工表面创成模型
• 4.4 表面形貌仿真算法
• 4.5 铣削表面形貌实验与模型验证
• 4.5.1 铣削试验设计
• 4.5.2 铣削试验结果与模型验证
• 4.6 切削参数对铣削表面形貌的影响分析
• 4.6.1 铣削方式
• 4.6.2 进给率
• 4.6.3 主轴转速
• 4.6.4 径向切深
• 4.6.5 单齿进给率
• 4.6.6 铣刀直径
• 4.6.7 各切削参数的交互影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 面向介观尺度铣削表面精度与加工效率的工艺优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 介观尺度工艺优化设计
• 5.2.1 介观尺度切削工艺特点
• 5.2.2 工艺优化目标函数
• 5.2.3 工艺优化约束条件
• 5.3 基于遗传算法的优化策略与优化步骤
• 5.3.1 切削工艺优化模型基本要素定义
• 5.3.2 切削工艺优化流程
• 5.4 优化结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要研究工作和结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 不足之处以及进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文