基于加工過程建模的模具鋼多軸高速銑削表面完整性研究.pdf

1、隨著航空、航天、汽車、模具、能源動力等制造領域產品復雜程度的提升，復雜曲面的應用越來越多，對關鍵零部件的加工技術提出了更高的要求。由于多軸數控加工刀軸矢量靈活可控，可優(yōu)化刀具與工件的接觸點位置及相對空間姿態(tài)，加工范圍廣，加工高效性顯著，在高端制造領域的應用越來越普遍。多軸銑削技術是多軸數控加工的典型代表，加工表面完整性對復雜曲面零部件的使用性能、壽命及裝備的可靠性具有至關重要的影響。本文針對多軸高速銑削加工過程、表面完整性及工藝優(yōu)化展開

2、研究，具有重要的理論與應用價值。
　　采用計算機輔助建模技術，構建了多軸銑削切屑的三維幾何模型，研究了多軸銑削各類傾角工況對應的刀-工接觸區(qū)變化規(guī)律，分析了逆銑工況參切的刀具轉角范圍隨刀具傾角的變化規(guī)律。綜合考慮切削截面積、截面周長變化及參切轉角范圍，正前傾角、負側偏角及負側偏角和正前傾角復合傾角較理想。若為提高刀具壽命，對切削過程最大切削力和平均切削力有特殊要求，可優(yōu)先選擇負側偏角、正前傾角或負側偏角和正前傾角復合傾角;解析描述

3、了刀齒某點的空間運動軌跡，得出了多軸高速銑削刀齒的空間掃掠軌跡和掃掠曲面;構建了基于三維球頭銑刀建模的有限元仿真模型，研究了不同傾角對應的刀-工接觸線隨刀齒轉動的變化規(guī)律，對比特定傾角對應的切削力試驗值與仿真值，分析了切屑形成的異同，提取了各傾角工況對應的瞬時最大切屑溫度。研究發(fā)現:最大切屑溫度隨側偏角增大而增大，這主要是由于參切刃段的有效切削速度隨側偏角的增大而增大;不同前傾角工況對應的最大切屑溫度總體變化趨勢并未呈現出明顯的不同。分

4、析了不同粗加工、半精加工及精加工工況下的切屑形態(tài)和顏色，觀測、討論了實際切屑的微觀形態(tài)特征，檢測了切屑自由曲面和背面的元素分布;粗加工和半精加工易發(fā)生劇烈的變形和摩擦，進而產生大量的切削熱，促進生成較多呈紅色的鐵的氧化物;剪切區(qū)的瞬時熱-機械耦合效應會影響最終切屑形貌。切削熱的存在會促進切屑與環(huán)境中活性氣體元素的化學反應。
　　基于正交切削、斜角切削理論、矩陣轉換及球頭銑刀幾何特征分析，探討了多軸銑削微元刃剪切區(qū)切削應力和溫度等物

5、理量的時空變化規(guī)律，分析了多軸銑削刀具-工件接觸區(qū)域和切削刃參切條件，仿真了各向切削力的變化規(guī)律;建立了多軸高速銑削三維有限元仿真模型，分析了各類傾角條件下最大切屑溫度隨刀齒轉動的變化規(guī)律，探討了不同傾角加工時切屑分離瞬時工件溫度場的空間分布狀態(tài)，對比了各類傾角條件下的能耗和力矩。
　　研究了各類多軸銑削工藝對應的參切刃段有效切削速度;檢測并分析了多軸順/逆銑加工側偏角、前傾角、復合傾角及切削參數對加工表面殘留高度、粗糙度、宏微觀

6、表面紋理和形貌、表面損傷的影響規(guī)律;重點分析了多軸逆銑復合傾角工況加工特點及加工表面殘留高度直方圖和表面載重比的變化規(guī)律;研究表明:多軸逆銑加工時，有效切削半徑及切削速度隨負側偏角絕對值的增大而增大;隨正側偏角增大時，上限切削速度先降低后增大，下限切削速度逐漸增大;其他類型多軸銑削工況的有效切削速度可與多軸逆銑側偏角工況類比;多軸高速銑削加工表面紋理方向直接決定于靠近最終成形表面的一系列參切微元刃的切削速度方向;加工表面損傷主要形式為凸

7、痕、凹坑、微觀裂紋及點蝕等。分析了多軸順銑加工表面二維輪廓波動情況，理想情況下間歇進給的殘留高度僅與球刀半徑、切削寬度有關。
　　研究了多軸銑削工藝參數對加工表面殘余應力、表面硬度及表面變質層的影響規(guī)律。多軸逆銑或順銑加工時，0°附近的側偏角和前傾角加工時易產生表面殘余壓應力，主要是由靠近刀尖參切刃段的擠壓作用和較低的有效切削速度引起的。綜合考慮各類傾角工況對應加工表面幾何特征，針對逆銑加工工況，可優(yōu)選刀軸轉角210°和330°對

8、應的復合傾角，以期在進給和間歇進給方向均獲得殘余壓應力，有利于零部件抗疲勞性能的提高。加工表面殘余應力狀態(tài)無嚴格要求且需采用順銑工況的場合，22.5°、315°刀軸轉角附近復合傾角可采用，通常可優(yōu)選正側偏角和正前傾角組合。逆銑加工時，各側偏角工況加工表面硬度大于相對應的前傾角加工表面硬度;表面硬度隨前傾角增大的變化并不明顯;順銑加工表面硬度隨側偏角和前傾角的增大，總體均近似出現雙峰狀。針對復合傾角工況，逆銑加工時，綜合考慮里氏硬度和顯微

9、硬度，刀軸轉角60°、120°和210°加工表面硬度較高，刀軸轉角180°加工表面硬度較小。順銑加工時，加工表面硬度隨刀軸轉角增大總體上呈現出先增大后降低的趨勢，315°刀軸轉角附近復合傾角加工表面硬度較大。多軸高速銑削表層材料受到切削熱和機械載荷的綜合作用，會產生組織致密化等現象;最表層鐵元素含量急劇增加，同時檢測到一些氧元素。
　　基于前述理論分析、幾何建模、有限元仿真及試驗檢測分析，進行了順銑和逆銑的響應曲面試驗。分析了考慮

10、交互作用的各工藝參數對各評價指標的影響規(guī)律，提煉了各類目標/約束對應的優(yōu)化工藝方案，得出了切削過程及加工表面各評價指標與多軸銑削工藝參數間的多項式回歸方程，進一步采用遺傳算法，構建了目標函數，采用Matlab軟件計算出最理想的目標函數值對應的工藝參數組合，可輔助響應曲面法優(yōu)化工藝方案指導實際加工。理想度最高的多目標協(xié)調響應曲面優(yōu)化工藝方案與最理想的遺傳算法優(yōu)化方案吻合。構建了典型曲面三維幾何模型，結合加工實際，依據工藝優(yōu)化方案，制定了合