模具型腔高效数控加工策略及参数优化研究

论文摘要

为了适应各行各业对模具产品的高精度、短工期、低成本要求,模具工业正广泛应用数字化制造技术来加速技术进步。模具数控加工作为模具数字化制造的最重要一环,是影响模具制造工期长短和质量的主要因素。模具型腔作为模具成型的最关键部分,是模具数控加工中难度最大、最耗时的部分。因此,为了缩短模具制造工期,降低模具成本,如何提高模具型腔的数控加工效率是一个亟待解决的问题。 基于上述认识,本文开展了模具型腔高效数控加工策略及加工参数优化研究,主要研究内容如下: 针对模具型腔粗加工的特点,基于粗加工中二维当量载荷的概念,采用散乱点最小二乘拟合的方法,构建了切削力曲面模型,并利用多项式拟合求得进给速度和有效切削深度的函数,根据不同刀位点处的切削条件求得进给速度并反写到G代码文件。最后针对端铣刀和球头铣刀分别引入不同的切深系数,使切削力曲面模型更具通用性。通过进给速度的优化,使得刀具载荷稳定在一定范围内,提高了加工效率,这对载荷要求均匀的高速切削加工更具实际意义。 提出一种面向加工特征、考虑刀具寿命的模具型腔粗加工策略。在等距环切刀具路径的基础上,通过切削层关键区域的提取,将模具型腔粗加工分为钻孔、扩孔、槽切、侧切和清角五种加工特征的组合。根据刀具寿命最长的原则确定槽切特征,并给出了加工策略在英国Delcam公司的CAM系统PowerMILL下的实现。 提出一种基于Tool-ZMap数字化加工几何模型的模具型腔高效精加工策略。在该策略中,按照优先选用圆弧角铣刀和大直径刀具的双重原则,基于建立的数字化加工几何模型—Tool-ZMap模型,确定刀具序列中每把刀具所对应的加工区域,实际加工中每把刀具只需切除所对应的加工区域,其中浅滩区域采用扫掠加工方式,陡峭区域采用等高加工方式。应用该策略可以避免加工特征的识别问题,同时克服了高速切削刀具刚性差的缺点,考虑了刀具寿命对表面质量的影响,实践证明加工策略对模具型腔的高效精加工具有很高的实用价值。 在工件ZMap模型的基础上,采用刀具离散的思想,实现了球头铣刀加工模具型腔复杂曲面的表面形貌几何仿真。利用切屑厚度的解析式计算切屑轮廓,为实现球头铣刀加工模具型腔复杂曲面瞬时切削力的预测和进给速度的优化提供了必要的几何参数。 以微分几何作为分析切削过程的工具,建立了考虑双重效应的切削力修正模型,并采用数值方法求解切削过程中的瞬时切削力。实践证明,采用双重效应的切削力模型,在生产实用中可以分别假设剪切效应和犁切效应的切削力系数为常数,从而大大简化切削力系数的回归难度。基于瞬时切削力模型,给出了模具型腔精加工进给速度的优化策

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 模具数控加工领域研究现状及发展趋势
• 1.2.1 零件几何形状描述与加工几何模型
• 1.2.2 刀具轨迹生成技术
• 1.2.3 加工过程的仿真
• 1.2.4 刀具干涉处理技术
• 1.2.5 加工策略与加工参数的优化
• 1.2.6 模具数控加工技术发展趋势
• 1.3 模具型腔高效数控加工存在的问题及本文研究内容
• 1.3.1 模具型腔高效数控加工存在的问题
• 1.3.2 本文研究内容
• 第二章 模具型腔粗加工切削力曲面模型与进给速度优化
• 2.1 引言
• 2.2 模具型腔粗加工的走刀方式
• 2.3 模具型腔的层切加工
• 2.3.1 二维当量载荷
• 2.3.2 层切中二维当量载荷的变化
• 2.3.3 二维当量载荷的计算
• 2.4 切削力曲面模型的建立
• 2.4.1 切削力数据的获得
• 2.4.2 切削力曲面模型的建立
• 2.5 进给速度优化实例
• 2.6 球头铣刀的平均切削力模型
• 2.7 本章小节
• 第三章 面向加工特征的模具型腔高效粗加工策略
• 3.1 引言
• 3.2 高速切削的粗加工方式
• 3.3 面向加工特征的高效粗加工策略
• 3.4 加工特征的划分
• 3.5 模具型腔高效粗加工策略的实现
• 3.6 加工实例
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于 Tool-ZMap模型的模具型腔高效精加工策略
• 4.1 引言
• 4.2 高速精加工的走刀方式
• 4.3 滚球法曲面分析与刀具路径生成策略
• 4.3.1 刀具非可行域边界的起始点对确定
• 4.3.2 刀具非可行域边界的提取
• 4.3.3 刀具路径的生成和刀具的选择
• 4.4 基于Tool-ZMap模型的模具型腔高效精加工策略
• 4.4.1 模具型腔加工几何模型Tool-ZMap模型的建立
• 4.4.2 刀具 C加工区域的理论分析
• 4.4.3 刀具 C加工区域的获得与三维边界提取
• 4.4.4 模具型腔高效精加工策略
• 4.5 计算实例
• 4.6 本章小结
• 第五章 模具型腔精加工表面形貌几何仿真
• 5.1 引言
• 5.2 刀具几何模型的建立
• 5.3 切屑轮廓的计算
• 5.3.1 理论切屑厚度的计算
• 5.3.2 刀具和工件离散精度的确定
• 5.4 表面形貌几何仿真与工件 ZMap模型的更新
• 5.5 表面形貌几何仿真结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 球头铣刀切削力模型与精加工进给速度优化
• 6.1 引言
• 6.2 球头铣刀切削力模型的建立
• 6.2.1 刀具的几何描述
• 6.2.2 球头铣刀切削力模型
• 6.2.3 切削力系数的确定与模型修正
• 6.3 切削力模型的试验验证
• 6.4 模具型腔精加工进给速度优化
• 6.4.1 进给速度优化流程
• 6.4.2 进给速度优化实例
• 6.5 本章小结
• 第七章 模具型腔精加工粗糙度预测模型与加工参数控制
• 7.1 引言
• 7.2 试验设备与检测手段
• 7.3 试验原理简介
• 7.4 试验设计与结果分析
• 7.4.1 二次回归正交旋转设计的数学模型
• 7.4.2 因子水平的编码
• 7.4.3 数据分析
• 7.4.4 显著性检验
• 7.5 切削用量对表面粗糙度的影响
• 7.6 切削用量的优化
• 7.6.1 遗传算法简介
• 7.6.2 优化结果
• 7.7 本章小节
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 作者攻读博士学位期间发表和完成的论文
• 致谢
• 大连理工大学博士学位论文版权使用授权书