基于切削力預(yù)測(cè)模型的復(fù)雜曲面銑削進(jìn)給速度優(yōu)化研究.pdf

1、隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和制造業(yè)的飛速發(fā)展，復(fù)雜曲面零件因具有獨(dú)特的幾何形狀與使用性能而被廣泛應(yīng)用于船舶、模具、航空等領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備中。可調(diào)距螺旋槳槳葉作為一種典型的復(fù)雜曲面零件，其形狀精度與加工性能直接影響著動(dòng)力定位系統(tǒng)中全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推進(jìn)效率與服役壽命。在服役的海洋環(huán)境中，時(shí)變載荷和環(huán)境介質(zhì)會(huì)引起槳葉表面產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕、斷裂等失效現(xiàn)象，這對(duì)槳葉的表面完整性提出了嚴(yán)格的要求。高性能加工技術(shù)作為一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面高精高質(zhì)高效加工的重要手段，對(duì)于研究表面

2、完整性的形成規(guī)律及保證槳葉的高服役性能具有重要的意義。
　　鎳鋁青銅材料因具有較高的強(qiáng)度、耐磨性及優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕特性而用于槳葉的制造中，其在切削過(guò)程中特別是精加工階段的切削狀態(tài)量會(huì)直接影響到零件的表面質(zhì)量，而迄今為止對(duì)鎳鋁青銅材料切削狀態(tài)量的建模預(yù)測(cè)還缺乏相應(yīng)的研究。此外，槳葉曲面的加工還未形成一套成熟的優(yōu)化方法，加工參數(shù)的選擇通常依賴于操作工人的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致加工質(zhì)量與加工效率難以保證，及表面完整性的關(guān)注也較少。因此，本文結(jié)合表面

3、完整性對(duì)切削加工性能的要求，研究鎳鋁青銅材料在切削過(guò)程中的形變特性，建立切削狀態(tài)量的預(yù)測(cè)模型，開(kāi)展進(jìn)給速度優(yōu)化方法的研究，以掌握表面完整性形成規(guī)律與實(shí)現(xiàn)槳葉高質(zhì)高效加工的目標(biāo)。
　　為了建立鎳鋁青銅材料在高應(yīng)變率下的熱力耦合本構(gòu)關(guān)系，提出了一種切削加工過(guò)程中Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)辨識(shí)的新方法。該辨識(shí)方法綜合了SHPB動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)、切削力預(yù)測(cè)模型及直角切削實(shí)驗(yàn)。首先根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)和SHPB實(shí)驗(yàn)得到了鎳鋁青銅在不同應(yīng)變率和溫

4、度下的真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。然后通過(guò)建立關(guān)于預(yù)測(cè)流動(dòng)應(yīng)力和實(shí)驗(yàn)流動(dòng)應(yīng)力的目標(biāo)函數(shù)，將壓縮實(shí)驗(yàn)辨識(shí)的本構(gòu)參數(shù)作為初值，采用粒子群算法反演得到了最終的本構(gòu)模型參數(shù)。最后，對(duì)切削力預(yù)測(cè)模型和有限元仿真得到的切削力進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所建立本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性與辨識(shí)方法的可行性。
　　提出了一個(gè)基于切削力預(yù)測(cè)模型的加工顫振解析建模的新方法，解決了傳統(tǒng)顫振模型不能直觀解釋實(shí)際切削過(guò)程中的熱力特性以及切削力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的準(zhǔn)確度太低的問(wèn)題。該方法將

5、動(dòng)態(tài)切削過(guò)程看作是在每一時(shí)刻的準(zhǔn)靜態(tài)切削過(guò)程，將工件材料特性、刀具幾何、切削參數(shù)作為輸入?yún)?shù)。其中動(dòng)態(tài)切削力可通過(guò)等效變換的切削參數(shù)計(jì)算，進(jìn)而理論推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)的表達(dá)式。另外，機(jī)床系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型可以用時(shí)滯微分方程表達(dá)，通過(guò)進(jìn)行切削穩(wěn)定性分析，由時(shí)域半離散法與全離散法分別獲得了直角切削與銑削顫振穩(wěn)定性SLD圖。通過(guò)與已有文獻(xiàn)的模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了提出的加工顫振解析模型的有效性。
　　目前，銑削過(guò)程的切削力通常是通過(guò)機(jī)械

6、或數(shù)值方法獲取的，而這些方法比較耗時(shí)且對(duì)于各種切削條件與刀具/工件組合需要進(jìn)行繁瑣的標(biāo)定工作。因此，本文提出了一種基于可預(yù)測(cè)切削理論的球頭銑刀切削力解析建模方法，將工件材料特性、刀具幾何、切削條件及銑削方式作為模型輸入?yún)?shù)，考慮了刀具刃口半徑，變滑動(dòng)摩擦系數(shù)與刀具跳動(dòng)對(duì)切削力的影響。在模型中，通過(guò)考慮了加工硬化、熱軟化與材料尺度效應(yīng)的修正Johnson-Cook本構(gòu)模型來(lái)計(jì)算剪切流動(dòng)應(yīng)力。銑刀的每個(gè)切削刃沿刀軸方向離散為多個(gè)微元，每個(gè)微

7、元的切削特性等效為斜角切削過(guò)程。通過(guò)斜角切削力的預(yù)測(cè)模型獲得作用在每個(gè)微元上的切削力，然后將所有微元的切削力進(jìn)行疊加，得到整個(gè)銑削力的值。最后，通過(guò)與已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、平面銑削及變切深曲面銑削實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所提出解析模型的有效性。
　　通過(guò)研究進(jìn)給速度對(duì)加工表面完整性（表面三維形貌、殘余應(yīng)力、顯微硬度）的影響，提出了面向恒切削力控制的復(fù)雜曲面銑削進(jìn)給速度優(yōu)化方法。該方法將給定的參考銑削力與每個(gè)刀位點(diǎn)處的最大銑削力之差的絕對(duì)

8、值作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以殘余應(yīng)力、加工穩(wěn)定性作為主要約束條件，通過(guò)Newton-Raphson迭代算法來(lái)調(diào)整CAM刀路文件中的進(jìn)給速度，以保證切削力的恒定以及機(jī)床系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)。以模型槳槳葉為研究對(duì)象，開(kāi)展了相應(yīng)的加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的優(yōu)化方法使槳葉的加工時(shí)間縮短了20％以上，表面殘余應(yīng)力和顯微硬度得到增加，對(duì)于提高模型槳槳葉的加工效率，改善表面加工質(zhì)量具有明顯的效果，從而驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的有效性。
　　本文所提出的切削狀態(tài)