面向复杂型腔工件高效数控加工的刀具优选技术研究

论文摘要

型腔工件在现代工业生产中涉及面非常广泛,如涉及到汽车、家电、机床等制造行业广泛应用的模具系统的核心构件,航天航空、海洋工程等领域高端装备的机舱等结构件,以及复杂金属工艺品的凹型曲面等。型腔工件通常形状复杂、品种多样,致使数控加工过程复杂,易于出现加工效率不高,质量难于保证等实际问题。同时,型腔加工还面临着短工期、高质量、低成本的迫切需求。因此,型腔的高效数控加工是一个亟待解决的问题。刀具优选是实现型腔高效数控加工的关键内容之一,对提高型腔加工的效率和质量,并降低成本有重要作用。为此,本文面向型腔的高效数控加工,对刀具优选技术展开研究,主要内容如下:分析型腔数控加工对刀具要求的特点,明确型腔数控加工刀具优选所包含的主要内容,构建一个包含目标层、优化功能层、技术支持层和数据层的刀具优选技术框架,在此基础上,阐述本文刀具优选的技术过程和关键技术。在分析加工目标、工件、机床和工艺等因素对刀具材料决策过程的影响的基础上,提出一种面向复杂切削实况的刀具材料决策方法。该方法设计并构建若干与常用加工目标相应的、并包含待考察刀具材料性能指标及其初步权重的模板供决策选择;建立工件、机床和工艺的特征体系用于提取实际加工情况下工件、机床和工艺的具体特征;利用知识推理等方法导出工件、机床和工艺的特征对刀具材料性能的约束与侧重,并将约束用于筛选出合格的刀具材料,将侧重用于修正用户所选模板中的刀具材料性能指标权重;在此基础上,利用模板中的性能指标与修正后的指标权重建立刀具材料评价模型,实现对合格刀具材料的评价与择优。应用案例说了该方法的可行性和实用性。在优选型腔加工的刀具直径和刀具组合的过程中,判别加工域是否可以被拆分具有重要的基础意义。为此,提出一种用于判别型腔加工域是否可分的概念及方法——型腔铣削单纯区及其判别方法。首先提出铣削单纯区的概念,给出其定义,指出铣削单纯区是一类当且仅当使用一种刀具就可实现最优加工的特殊区域,并且具有不可再分性、完全覆盖性和效益最优性等三大特点。然后给出并论证铣削单纯区的判别条件,从加工成本的角度建立铣削单纯区的判别模型,并在此基础上设计了铣削单纯区的判别算法。算例结果证明了所提出的概念及方法的理论价值和实用价值。提出一种支持型腔粗加工刀具序列高效优化的刀具筛选方法。通过对比刀具组合过程中因不同刀具的优势互补而产生的效益增量与因换刀带来的相关效益损失量,建立一种用于判断刀具序列是否有效的分析模型;在此基础上,从刀具序列的组合形态的角度构造并证明一种可以判别部分冗余刀具的规则,将该规则与基于几何、设备和工艺等约束的刀具筛选方法相串联,可获得良好的刀具筛选效果。算例结果表明所提方法在去除部分冗余刀具上效果明显。提出一种改进的型腔粗加工可行刀具序列构建方法。对现行的基于有向图的可行刀具序列构建方法进行分析,指出对刀具进行近似纯数学上的排列组合使得解空间偏大,进而制约刀具序列优化效率是该方法的主要不足;通过对刀具序列有效性的分析,发现可行刀具序列构建过程中刀具之间存在的互斥特性,并将该特性引入至现行的可行刀具序列构建方法之中,加强对解空间的约束,实现对大部分无效序列的预先排除。算例结果表明,改进后的方法可明显排除大部分的无效刀具序列,对实现刀具序列的高效优化具有良好的支持作用。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景与意义
• 1.2 论文相关领域的研究现状
• 1.2.1 型腔数控加工过程优化
• 1.2.2 刀具的优化选择技术
• 1.2.3 刀具几何参数的选择
• 1.2.4 刀具材料及其选择
• 1.2.5 刀具序列优化
• 1.3 论文研究的内容与总体框架
• 1.3.1 论文的研究内容
• 1.3.2 论文的总体框架
• 2 面向型腔高效数控加工的刀具优选技术框架与过程
• 2.1 型腔数控加工中刀具的服役特点
• 2.2 型腔数控加工刀具优选的主要内容
• 2.2.1 型腔数控加工常用刀具种类
• 2.2.2 刀具的主要信息
• 2.2.3 刀具优选的主要内容
• 2.3 面向型腔高效数控加工的刀具优选技术框架
• 2.4 面向型腔高效数控加工的刀具优选技术过程与关键技术
• 2.4.1 技术过程
• 2.4.2 本文研究的关键技术
• 2.5 本章小结
• 3 面向复杂切削实况的数控加工刀具材料优选方法
• 3.1 制约刀具材料选择的主要因素及其影响分析
• 3.1.1 制约刀具材料选择的主要因素
• 3.1.2 切削实况对刀具材料决策过程的影响分析
• 3.2 面向复杂切削实况的刀具材料优选方法的内涵与流程
• 3.3 刀具材料性能模板及其构建
• 3.3.1 模板结构
• 3.3.2 模板的构建方法
• 3.4 工件、机床和工艺的特征提取
• 3.4.1 工件、机床和工艺的特征体系
• 3.4.2 材料性能约束与侧重的推导
• 3.5 刀具材料的筛选与评价
• 3.5.1 刀具材料筛选的依据
• 3.5.2 刀具材料评价模型
• 3.6 应用案例与分析
• 3.7 本章小结
• 4 支持刀具尺寸和组合优选的型腔铣削单纯区及其判别方法
• 4.1 型腔加工域的可拆分性问题
• 4.2 铣削单纯区的定义及特点
• 4.2.1 加工域的最优拆分
• 4.2.2 铣削单纯区的定义及特点
• 4.3 铣削单纯区的判别方法
• 4.3.1 判别加工域为非单纯区的充要条件
• 4.3.2 铣削单纯区的判别模型
• 4.3.3 单纯区的判别算法
• 4.4 试验及结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 一种支持型腔粗加工刀具序列高效优化的刀具筛选方法
• 5.1 问题的提出
• 5.2 刀具组合有效性分析模型
• 5.3 本文的刀具筛选方法
• 5.3.1 方法思路
• 5.3.2 冗余刀具的判别规则
• 5.3.3 实现技术
• 5.3.4 算法流程
• 5.4 算例分析
• 5.5 本章小结
• 6 一种改进的型腔粗铣加工可行刀具序列构建方法
• 6.1 刀具序列优化的一般流程
• 6.2 现行的可行刀具序列构建方法及其特点分析
• 6.3 本文的可行刀具序列构建方法
• 6.3.1 刀具序列构建过程中刀具间的互斥特性
• 6.3.2 本文方法
• 6.4 实现技术
• 6.4.1 刀具组合有效性的计算
• 6.4.2 互斥刀具集的划分策略
• 6.5 算例分析
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 攻读博士学位期间发表的论文
• B. 攻读博士学位期间从事的主要科研工作
• C. 攻读博士学位期间申请的发明专利