五轴加工中心球头铣刀切削力建模及对加工质量影响研究

论文摘要

球头铣刀在自由曲面加工中的适用性使其已成为加工中心的主要刀具。切削过程中刀具系统的切削力特征对机床的工作特点与加工性能影响显著。因此球头铣刀切削力预测模型的建立对研究加工中心的可靠性及工作精度有重要的意义。基于球头铣刀的刃线结构特征将球头铣刀划分为无数切削微元,通过对微元切削力进行坐标转换得到局部切削力,进而建立了球头铣刀整体铣削力预测模型。通过研究球头铣刀铣削力模型及参数的简化方法,给出了在特定工况下计算球头铣刀整体切削力的简化公式。采用五轴联动加工中心及测力仪进行了切削力测量实验,对实验数据采用线性回归的方法进行识别确定了切削系数。通过实验数据与仿真结果的对比验证了模型的准确性,实验研究了加工凹槽面、斜面、凸球面及叶轮曲面等典型几何要素时的实际切削力变化情况。考虑铣削力对球头铣刀加工精度的影响,建立了切削力引起刀体变形模型,分析了刀具变形、径向跳动、切削热以及刀具磨损对加工误差的影响。应用有限元软件ANSYS,结合实验数据对球头铣刀进行了结构静力分析和模态分析,得出了球头铣刀的变形及应力分布等值线图,前六阶固有振动频率和振型。铣削表面粗糙度是加工过程中的重要参数,直接影响零件的表面完整性。本文通过实验研究分析了影响表面粗糙度的主要因素,获得了主轴转速、切削深度及进给量对已加工表面粗糙度的影响规律,对球头铣刀铣削加工参数的选择具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.1.1 课题的背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 球头铣刀铣削力模型研究状况
• 1.2.2 球头铣刀铣削表面形貌研究现状
• 1.3 本文研究方法及主要内容
• 1.3.1 球头铣刀切削力建模方法
• 1.3.2 本文的研究思路及主要内容
• 第2章 五轴加工中心球头铣刀铣削力模型
• 2.1 球头铣刀铣削基础介绍
• 2.1.1 球头铣刀介绍
• 2.1.2 铣削加工的主要铣削参数
• 2.2 球头铣刀几何模型的建立
• 2.2.1 球头部分特征
• 2.2.2 球头铣刀刃线几何模型
• 2.3 铣削力模型的建立
• 2.3.1 球头铣刀切削微元的划分
• 2.3.2 切削微元的力学模型
• 2.3.3 坐标系转换
• 2.3.4 球头铣刀整体铣削力
• 2.4 模型的简化及参数的计算
• 2.4.1 切削厚度的简化计算
• 2.4.2 转换矩阵的简化
• 2.4.3 铣削力模型积分上下限的求法
• 2.4.4 整体铣削力简化公式
• 第3章 五轴加工中心铣削力实验研究
• 3.1 铣削力系数的确定
• 3.2 球头铣刀切削力测量实验条件
• 3.2.1 实验设备
• 3.2.2 实验材料
• 3.2.3 实验所用刀具
• 3.2.4 测力系统组成
• 3.3 球头铣刀切削力模型验证
• 3.3.1 铣削力系数的实验辨识
• 3.3.2 力学模型实验验证
• 3.4 球头铣刀切削力实验
• 3.4.1 典型几何要素加工实验
• 3.4.1.1 实验方案
• 3.4.1.2 实验结果及分析
• 3.4.2 复杂曲面加工实验
• 3.4.2.1 叶轮加工实验方案
• 3.4.2.2 实验结果及分析
• 第4章 机床工作精度研究及有限元分析
• 4.1 切削力对工作精度影响的分析
• 4.1.1 刀体受力变形的模型
• 4.1.2 切削力影响加工误差的模型
• 4.2 刀具径向跳动导致加工误差模型的建立
• 4.3 切削热及刀具磨损的加工误差模型
• 4.3.1 切削热与刀具温度的分析
• 4.3.2 刀具磨损对加工精度影响的分析
• 4.4 球头铣刀静力学分析
• 4.4.1 刀具几何模型的建立及网格划分
• 4.4.2 载荷的施加及分析结果
• 4.5 球头铣刀振动及模态分析
• 4.5.1 球头铣刀振动微分方程
• 4.5.2 球头铣刀模态分析过程
• 4.5.3 球头铣刀模态分析结果
• 第5章 球头铣刀铣削表面粗糙度实验
• 5.1 表面粗糙度的形成及评定
• 5.2 表面粗糙度的影响因素
• 5.2.1 球头铣刀残余高度的计算
• 5.2.2 刀具倾斜角对表面粗糙度的影响
• 5.3 加工表面粗糙度测量实验方案
• 5.3.1 实验条件
• 5.3.2 实验方案
• 5.4 表面粗糙度实验数据及分析
• 5.4.1 转速对工件表面粗糙度的影响
• 5.4.2 切削深度对工件表面粗糙度的影响
• 5.4.3 每转进给量对工件表面粗糙度的影响
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢