高速铣削热缩加长刀杆与刀具配合特性及应用研究

论文摘要

大型深型腔注塑模具是大屏幕彩色电视机外壳、电脑显示器、汽车仪表盘、汽车车门内饰件等大型注塑制品的关键制造装备,具有深型腔复杂多型面结构、加工精度和表面质量要求高、制造周期长等特点。当前该类模具的制造过程过分依赖电火花加工与手工抛光与打磨、过分依赖制造者的个人技能与经验等,而使得加工质量难以得到有效保证、整个制造周期大大延长而很难满足日益加剧的市场竞争需要。热缩加长刀杆（Lengthened Shrink-fit Holder-LSFH）与刀具配合因其具有高夹紧强度、高回转平衡性、易于到达和接近深型腔、能满足复杂多型面模具加工对刀具多样性的要求等特点,使其成为实现大型深型腔模具高速、高效高质量铣削加工的重要手段和途径。目前,由于缺乏对LSFH-刀具配合的配合特性、及使用LSFH时的加工参数优选、加工精度控制等方面的深入研究,使其在高速铣削加工中的优势得不到充分发挥。本文根据大型深型腔模具对适合其高速铣削加工刀具系统的迫切需要,着重从LSFH-刀具配合的接触特性、径向夹持刚度、动力学特性、加工参数优化以及加工变形误差补偿等方面进行深入研究,并通过试验验证了研究过程中所建分析模型的正确性以及加工参数优化与误差补偿方法的有效性和实用性。作为动力学特性研究和加工变形误差补偿的前提和基础,首先对基于LSFH-刀具配合的高速铣削加工进行了铣削力建模,建立基于反向传播神经网络（Back-Propagation neural network-BPNN）的瞬态铣削力预测模型。通过对实验数据的适当处理,模型把时间参量引入输入向量,从而克服了以往神经网络切削力预测模型只能预测平均切削力而不能预测瞬态切削力的局限;预测模型采用梯度下降动量学习函数和梯度下降动量BP算法训练函数,避免了单纯的梯度下降法使网络训练易收敛到局部最小值的不足。检验结果表明预测模型具有很好的预测精度,高于通常的铣削力解析模型。在接触特性及径向夹持刚度研究方面,建立了参数化的有限元模型,并给出了一种合理确定模型中接触刚度系数的新方法。研究了初始基本过盈量、配合长度、配合直径以及高速旋转状态下的离心力对等效应力、接触变形与接触压力等的影响。在此基础上首次引入接触变差系数的概念及其计算方法,给出了实现LSFH-刀具配合的合理接触控制的有效方法。研究了不同配合过盈量、夹持长度及主轴转速对径向夹持刚度的影响,并对不同配合过盈量下的临界弯矩进行了理论界定,建立了静态夹持刚度的有效测量评定方法。研究结果表明:所给出的快速确定LSFH-刀具配合接触刚度系数的迭代算法,既能够保证分析结果的准确,又能够保证分析过程的收敛;应根据不同的刀具配合直径进行合理的接触控制;所给出的合理接触控制方法,既能保证刀具夹持的稳定可靠又能提高LSFH的耐用度;在高转速条件下需充分考虑到离心力对径向夹持刚度的削弱作用,以保证在高转速下实现对刀具安全可靠的夹持;静态径向夹持刚度的评定结果验证了所建有限元仿真模型的正确性,分析结果可为LSFH-刀具配合的设计、选用以及生产实际提供依据。在动力学特性研究方面,首次将有限元分析（Finite Element Analysis-FEA）技术和试验模态分析（Experiment Modal Analysis-EMA）技术结合起来建立LSFH-刀具配合的有限元模型综合验证与修正流程。分析研究了刀具悬伸出LSFH的长度、主轴转速对LSFH-刀具配合的动力特性包括固有频率和振型的影响。在动力特性分析的基础上对给定加工工况下的LSFH-刀具配合进行了瞬态动力学分析,并对实际的瞬态位移响应进行了评定。研究结果表明:刀具悬伸长度对固有频率的影响较为显著;当转速超过一定时应充分考虑高转速对动力特性的影响;在高速加工工况下,要准确求取加工过程中LSFH-刀具配合的受力与变形,必需考虑到LSFH-刀具配合的瞬态动力学特性的影响,这样才能得出与实际加工工况相符合的正确结论。实际评定结果验证了数值仿真结果的正确性,所建立的瞬态动力学分析模型能够满足工程需要,可用于实际铣削加工过程分析。在使用LSFH高速铣削加工的加工参数优化研究方面,在充分考虑到各约束条件的模糊性的基础上,将LSFH-刀具配合的力学与动力学特性作为加工参数优化的物理约束条件,建立了高速铣削加工过程切削参数模糊优化模型。优化结果表明,与不考虑约束条件模糊性的常规优化结果及刀具手册的推荐参数相比,高速铣削加工时间分别减少5.95%和8.54%,表面粗糙度分别降低5.42%和6.85%。在使用LSFH高速铣削加工的加工变形误差补偿研究方面,在前述有限元模型、铣削力模型的建立以及加工参数优化结果的基础上,提出了一种基于铣削力与刀具变形平衡迭代新算法的加工误差补偿方法,实现了高速铣削加工刀具变形误差的离线补偿。加工应用实例表明,加工最大误差由未补偿加工的42μm降低到补偿加工后的9.5μm,使加工误差降低了77.4%。在大型深型腔模具曲面高速铣削加工中,采用本章所提出的离线误差补偿方法,在不牺牲加工效率的情况下能够获得较高的表面加工尺寸精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景与意义
• 1.2 大型深型腔注塑模具的特点及传统制造流程
• 1.2.1 大型深型腔注塑模具的特点
• 1.2.2 大型深型腔注塑模具的传统制造流程
• 1.3 大型深型腔注塑模具的高速铣削加工
• 1.3.1 高速铣削加工技术概述
• 1.3.2 大型深型腔注塑模具高速铣削加工
• 1.3.2.1 大型深型腔模具高速铣削加工实现条件
• 1.3.2.2 大型深型腔模具高速铣削加工刀具系统
• 1.3.2.3 LSFH-刀具配合在高速铣削加工中有待解决的问题
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 模具铣削加工动力学特性研究
• 1.4.2 高速铣削加工切削力预测研究
• 1.4.3 高速铣削加工参数优化研究
• 1.4.4 模具高速铣削加工误差补偿
• 1.4.5 有限元技术在高速铣削加工刀具系统等中的应用
• 1.5 本课题的来源与主要研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 本文研究的主要内容
• 第二章 LSFH-刀具配合特性的评定及铣削力预测
• 2.1 高速铣削LSFH-刀具配合特性的评定
• 2.1.1 实验设备与仪器
• 2.1.1.1 机床
• 2.1.1.2 刀具、刀柄和LSFH
• 2.1.1.3 工件材料
• 2.1.2 高速铣削LSFH-刀具配合静态径向夹持刚度评定
• 2.1.2.1 实验方法
• 2.1.2.2 评定结果
• 2.1.3 高速铣削LSFH-刀具配合的动力特性评定
• 2.1.3.1 实验方法
• 2.1.3.2 评定结果
• 2.1.4 高速铣削LSFH-刀具配合的瞬态响应特性评定
• 2.1.4.1 实验方法
• 2.1.4.2 评定结果
• 2.2 高速铣削LSFH-刀具配合的铣削力预测
• 2.2.1 样本获取实验
• 2.2.2 高速铣削力预测的BPNN模型
• 2.2.2.1 网络模型的结构
• 2.2.2.2 高速铣削力预测模型的建立步骤
• 2.2.3 铣削力的预测结果与讨论
• 2.3 本章小结
• 第三章 LSFH-刀具配合的接触特性和径向夹持刚度
• 3.1 高速铣削LSFH-刀具配合有限元模型建立
• 3.1.1 LSFH结构
• 3.1.2 LSFH-刀具配合特征
• 3.1.3 LSFH-刀具配合面上的接触判据
• 3.1.4 LSFH-刀具配合的接触平衡方程及求解
• 3.1.5 LSFH-刀具配合有限元模型建立
• 3.1.5.1 接触定义
• 3.1.5.2 物理与几何建模
• 3.1.5.3 施力分析过程
• 3.2 高速铣削LSFH-刀具配合的接触刚度系数
• 3.3 高速铣削LSFH与刀具配合的接触特性
• 3.3.1 影响LSFH-刀具配合的接触特性的主要因素
• 3.3.1.1 LSHF-刀具配合过盈量
• 3.3.1.2 LSHF-刀具配合长度
• 3.3.1.3 LSHF-刀具配合直径
• 3.3.1.4 主轴转速
• 3.3.2 LSFH-刀具配合的合理接触与控制
• 3.3.2.1 合理过盈量的确定原则
• 3.3.2.2 合理配合长度的确定原则
• 3.3.2.3 合理接触条件确定的控制流程
• 3.4 高速铣削LSFH-刀具配合径向夹持刚度
• 3.4.1 径向夹持刚度分析简化有限元模型
• 3.4.2 影响径向夹持刚度的主要因素
• 3.4.2.1 配合过盈量
• 3.4.2.2 轴向配合夹持长度
• 3.4.2.3 主轴转速
• 3.4.3 静态径向夹持刚度实测与仿真结果对比
• 3.5 本章小结
• 第四章 高速铣削LSFH-刀具配合的动力学特性
• 4.1 高速铣削LSFH-刀具配合的动力特性
• 4.1.1 LSFH-刀具配合的动力特性分析方法
• 4.1.2 LSFH-刀具配合的动力特性分析过程
• 4.1.2.1 LSFH-刀具配合有限元模型建立
• 4.1.2.2 刀具悬伸长度与主轴转速对动力特性的影响
• 4.1.2.3 FEA仿真与EMA动力特性评定结果比较
• 4.1.2.4 加工稳定域仿真耳垂图与铣削力时域波形
• 4.2 高速铣削LSFH-刀具配合的瞬态动力学
• 4.2.1 LSFH-刀具配合瞬态动力学分析模型建立
• 4.2.1.1 有限元模型建立
• 4.2.1.2 结构阻尼确定
• 4.2.1.3 瞬态铣削力及载荷步确定
• 4.2.2 瞬态动力学分析
• 4.2.2.1 边界条件确定
• 4.2.2.2 瞬态动力学分析过程
• 4.2.2.3 瞬态动力分析结果
• 4.2.3 瞬态位移响应实测与仿真结果比较
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于LSFH-刀具配合的大型深型腔模具高速铣削加工参数优化与刀具变形误差补偿
• 5.1 基于LSFH-刀具配合的高速铣削加工参数优化
• 5.1.1 高速铣削加工参数多目标模糊优化数学模型
• 5.1.1.1 高速铣削加工设计变量的确定
• 5.1.1.2 高速铣削加工目标函数的构造
• 5.1.1.3 模糊约束条件的建立
• 5.1.1.4 模糊优化数学模型
• 5.1.2 模糊优化模型的求解
• 5.1.2.1 求解方法
• 5.1.2.2 模糊约束条件的隶属函数
• *的确定方法'>5.1.2.3 最优水平值λ^*的确定方法
• 5.1.2.4 基于Matlab的优化问题求解
• 5.1.3 基于LSFH-刀具配合的高速铣削加工参数模糊优化实例
• 5.1.3.1 模糊优化实例高速铣削加工条件
• 5.1.3.2 表面粗糙度模型及优化目标函数确定
• *与相关参数确定'>5.1.3.3 最优截集水平值λ^*与相关参数确定
• 5.1.3.4 模糊优化结果与分析
• 5.2 基于LSFH-刀具配合的高速铣削加工误差补偿
• 5.2.1 LSFH-刀具配合变形引起的加工误差
• 5.2.2 大型深型腔模具高速铣削加工误差补偿
• 5.2.2.1 加工零件曲面特性分析
• 5.2.2.2 铣削力模型
• 5.2.2.3 LSFH-刀具配合变形模型
• 5.2.2.4 加工误差补偿过程
• 5.2.3 基于LSFH-刀具配合的高速铣削加工误差补偿实例
• 5.2.3.1 加工误差补偿实例铣削加工条件
• 5.2.3.2 补偿加工过程与结果
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 一.结论
• 二.展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢
• 附录1 BPNN的基本原理
• 附录2 高速铣削力预测MATLAB程序
• 附录3 高速铣削动力学特性分析有限元方法理论基础