（机械制造及其自动化专业论文）铣削加工表面微观几何形貌仿真及表征技术的研究.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 铣削加工表面微观几何形貌仿真及表征技术的研究 机械制造及其自动化 董永亨 李言教授 李鹏阳副教授 摘要 零件表面形貌特征对机器的接触性能、摩擦磨损特性有着重要的影响。铣削表面是机 械3 n - v 中最常见的表面之一，随着产品质量要求的不断提高，通过数字控制下的铣削加工 技术形成所需表面纹理及微观状态已成为重要的研究方向。本文结合国家“9 7 3 高技术 研究计划项目多场强作用下的结合面物理表征的研究需要，以铣削加工为对象，对表 面形成过程及微观状态进行了深入系统的研究，具有重要的理论意义和实用价值。 论文以提高铣削加工表面质量为目的，以球头铣刀铣削、立铣刀端铣和周铣为研究对 象，基于图形矩阵变换原理和矢量运算法则，建立了相应加工过程的数学模型，研究了铣 削加工表面微观几何形貌的仿真算法。基于m a t l a b 开发了铣削加工表面微观几何形貌的 仿真系统，重点分析了进给量、进给行距、刀具螺旋角、刀具直径、刀具倾斜方位角、刀 具的径向跳动、刀具的轴向窜动、铣削方式和走刀方式对表面微观几何形貌的影响，并专 门研究了铣削方法对曲面表面形貌的影响，获得了不同参数条件下表面微观形貌的仿真结 果，并与实验结果进行了分析对比，从而揭示了表面微观状态的形成机理。 论文还研究了表面形貌的三维参数表征法。在对表面形貌数据进行奇异点的识别和去 除、平滑滤波及提取微观特征等预处理的基础上，完成了表面微观几何形貌的三维参数表 征，并开发出基于m a t l a b 的铣削加工表面微观几何形貌的表征系统。参照表面微凸体简 化的经典模型，完成了机械加工表面微观几何形貌简化模型的建立，结果表明所建模型可 以实现铣削表面微观形貌的参数表征，对实际接触问题的研究具有重要的参考价值。 关键词：铣削表面；微观几何形貌；仿真分析；三维参数表征；表征模型 本论文的研究得到了国家“9 7 3 ”高技术研究计划项目( 2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 6 ) 和陕西省教育 厅科学研究计划项目( 2 0 1 0 7 0 7 ) 的资助。 )善土乙纽经 名名名签签签 西安理工大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho ns i m u l a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n o l o g yo fm l l l i n gs u r f a c et o p o g r a p h y m a j o r ：m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g a n da u t o m a t i z a t i o n n a m e ：d o n gy o n gh e n g s u p e r v i s o r ：p r o f uy a h a s s o c i a t ep r o f l ip e n g y a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s i g n a t u 陀：尘蜘 s u r f a c em o r p h o l o g yo ft h ep a r t sh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ec o n t a c tp e r f o r m a n c e ， f r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n e m i l l i n gs u r f a c ei so n eo ft h em o s tc o m m o n s u r f a c ei nt h em a c h i n i n g w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fr e q u i r e m e n t so fp r o d u c t s q u a l i t y ，i th a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c h i n gd i r e c t i o nt h a tt h er e q u i r e di n f o r m a t i o no f s u r f a c et e x t u r ea n dm i c r o s t r u c t u r a ls t a t ea r ef o r m e db ym i l l i n gu n d e rn u m e r i c a lc o n t r o l l e d t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt or e s e a r c h i n gn e e d so ft h en a t i o n a l ”9 7 3 ”h i 曲t e c h n o l o g yr e s e a r c h p r o j e c t ：p h y s i c a lc h a r a c t e r i z a t i o no fc o m b i n a t i o ns u r f a c eu n d e re f f e c to fm o r ef i e l d s ，m i l l i n g m a c h i n i n g w a st a k e na sao b j e c to fr e s e a r c hi nt h i sp a p e r , f o r m a t i o np r o c e d u r ea n d m i c r o s t r u c t u r a ls t a t eo ft h em i l l e ds u r f a c eh a v eb e e ns t u d i e dd e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l y ，a n dt h e r e s u l t sh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e t h i sp a p e ri st oi m p r o v et h eq u a l i t yo fm i l l e ds u r f a c ef o rt h ep u r p o s e ，a n dt h ep r o c e s s e so f n o to n l ym i l l i n gf i n i s h e db yt h eb a l l e n dm i l l i n gc u t t e r ，b u ta l s ov e r t i c a lm i l l i n ga n dp e r i p h e r a l m i l l i n gi m p l e m e n t e db ye n dm i l l sw e r et a k e na ss p e c i f i cr e s e a r c h i n go b j e c t s b a s e do nt h e p r i n c i p l e o ft r a n s f o r m a t i o no fg r a p h i cm a t r i x ，a n dv e c t o ra l g o r i t h m s ，t h ec o r r e s p o n d i n g m a t h e m a t i c a lm o d e lo fm i l l i n gp r o c e s s e sw e r ee s t a b l i s h e d ，a n ds i m u l a t i o n - a l g o r i t h mo ft h e m i l l i n gs u r f a c et o p o g r a p h yh a sb e e ns t u d i e d as i m u l a t i o n - s y s t e mo ft h em i l l i n gs u r f a c e t o p o g r a p h yh a sb e e nd e v e l o p e db a s e dm a t l a b a n da n a l y s i sf o c u s e d o nt h ee f f e c t st os u r f a c e m i c r o - t o p o g r a p h yf r o mt h ef e e dr a t e ， f e e dl i n es p a c i n g ，c u r e r sh e l i x a n g l e ，c u r e r s d i a m e t e r ，c u t t e r st i l t i n ga n g l e ，r a d i a lr u n o u to f t h ec u r e r ，a x i a lm o v e m e n to f t h ec u r e r ， m i l l i n gm e t h o d sa n dp a t h sp a t t e r nh a v eb e e nd o n e ，a n das p e c i a ls t u d yo fe f f e c t sc a u s e db y m i l l i n gm e t h o d sf o rt h ec u r v e ds u r f a c et o p o g r a p h yh a v eb e e nf i n i s h e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f s u r f a c et o p o g r a p h yu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r eo b t m n e d a n dh a v eb e e nc o m p a r e dw i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u c c e s s f u l l y t h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y z e sh a v eb e e nd o n e ，w h i c hr e v e a l s t h ef o r m i n gm e c h a n i s mo fs u r f a c em i c r o s t a t e i i i 西安理工大学硕士学位论文 t h em e t h o do ft h r e e 。d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i z e dp a r a m e t e r so ns u r f a c et o p o g r a p h yh a sa l s o b e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r c h a r a c t e r i z a t i o no fs u r f a c e t o p o g r a p h yu s e dt h r e e d i m e n s i o n a l c h a r a c t e r i z e dp a r a m e t e r sa f t e rt h ep r e t r e a t m e n to fs u r f a c ed a t a ，s u c ha si d e n t i f i c a t i o na n d r e m o v a lo fs i n g u l a rp o i n t s ，f i l t e r i n ga n de x t r a c t i n gm i c r o c h a r a c t e r i s t i c s ，h a sb e e nf i n i s h e d ，a n d as y s t e mo fc h a r a c t e r i z a t i o na b o u tm i l l e ds u r f a c et o p o g r a p h yh a sb e e nd e v e l o p e d a c c o r d i n gt o t h ec l a s s i c a ls i m p l i f i e dm o d e lo fs u r f a c ea s p e r i t i e s ，t h es i m p l i f i e dm o d e lo fm a c h i n e ds u r f a c e t o p o g r a p h yh a sb e e nc o m p l e t e d ，t h er e s u l ts h o wt h a tc h a r a c t e r i z a t i o no fs u r f a c et o p o g r a p h yc a n b er e a l i z e db yt h i ss i m p l i f i e dm o d e l ，a n di th a si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et ot h ea c t u a lc o n t a c t p r o b l e m k e yw o r d s ：m i l l i n g ； s u r f a c et o p o g r a p h y ； c h a r a c t e r i z a t i o no fp a r a m e t e r s ； a n a l y s i so fs i m u l a t i o n ；t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e lo fc h a r a c t e r i z a t i o n t h es t u d yi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l ”9 7 3 ”h i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o g r a m ( p r o j e c t n u m b e r ：2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 6 ) a n ds h a a n x ip r o v i n c i a ld e p a r t m e n to fe d u c a t i o nr e s e a r c hp r o g r a m ( p r o j e c tn u m b e r ：2 0 10 j k 7 0 7 ) i v 目录 目录 1 绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 铣削加工概述2 1 3 表面微观几何形貌的主要影响因素2 1 4 铣削加工表面微观几何形貌的仿真和表征的研究现状4 1 4 1 铣削加工表面微观几何形貌仿真研究的现状4 1 4 2 铣削加工表面微观几何形貌表征研究的现状5 1 5 论文的主要研究内容6 2 铣削加工表面微观几何形貌仿真的建模：7 2 1 铣削加工表面形成机理及铣削要素7 2 2 铣削过程数学建模的基本思路8 2 2 1 参考坐标系的建立8 2 2 2 刀具切削刃运动轨迹方程的建立9 2 3 球头铣刀铣削加工的数学模型9 2 3 1 刀具坐标系下刀齿的数学建模1 0 2 3 2 主轴随动坐标系下刀具的数学建模1 1 2 3 3 工件坐标系下主轴随动系的数学建模1 2 2 4 立铣刀铣削加工的数学建模1 5 2 4 1 刀具刃形的数学表达式1 5 2 4 2 参考坐标系的建立15 2 4 3 不同铣削方法下切削刃轨迹方程的建立1 6 2 5 本章小结2 0 3 铣削加工表面微观几何形貌的仿真系统开发及实验验证2 1 3 1 铣削加工表面微观几何形貌仿真算法的思路2 1 3 1 1 工件模型的建立2 1 3 1 2 刀齿微元的设置2 1 3 1 3 时间步长的设置2 8 3 2 表面形貌仿真系统的设计2 8 3 2 1 仿真程序流程2 8 3 2 。2 仿真界面的设计3 0 3 3 铣削加工表面微观几何形貌仿真的实验验证3 2 3 3 1 实验器具3 2 3 3 2 实验方法3 3 3 3 3 实验和仿真结果的比较3 5 3 4 本章小结3 8 4 铣削加工表面微观几何形貌的仿真分析3 9 4 1 进给量对表面微观几何形貌的影响3 9 v 西安理工大学硕士学位论文 4 1 1 进给量对球头铣刀加工表面微观几何形貌的影响3 9 4 1 2 进给量对立铣刀加工表面微观几何形貌的影响4 0 4 2 进给行距对表面微观几何形貌的影响4 2 4 3 刀具螺旋角对表面微观几何形貌的影响4 3 4 4 刀具直径对表面微观几何形貌的影响4 4 4 5 刀具倾斜角度对表面微观几何形貌的影响4 5 4 5 1 刀具绕进给方向旋转而产生的倾斜角的影响4 5 4 5 2 刀具绕间歇进给方向旋转而产生的倾斜角的影响4 6 4 6 走刀路线对表面微观几何形貌的影响4 8 4 7 铣削方式对表面微观几何形貌的影响4 9 4 8 刀具的径向跳动对表面微观几何形貌的影响5 0 4 8 1 球头铣刀的径向跳动对表面微观几何形貌的影响5 0 4 8 2 立铣刀的径向跳动对表面微观几何形貌的影响5 1 4 9 刀具的轴向窜动对表面形貌的影响5 3 4 9 1 球头铣刀铣削时的影响5 3 4 9 2 立铣刀铣削时的影响5 4 4 1 0 球头铣刀端铣和立铣刀周铣曲面获得的表面形貌的比较分析5 5 4 1 1 本章小结5 6 5 铣削加工表面微观几何形貌的表征研究。5 7 5 1 形貌数据的预处理5 7 5 1 1 奇异点的识别和去除5 7 5 1 2 测量数据的平滑滤波6 0 5 1 3 测量数据的微观特征提取6 3 5 2 铣削加工表面微观几何形貌的三维参数表征6 4 5 2 1 幅度参数6 5 5 2 2 空间参数6 7 5 2 3 综合参数6 7 5 2 4 功能参数6 8 5 2 5 算例7 0 5 3 表面形貌的简化模型表征研究7 1 5 3 1 经典模型简介7 1 5 3 2 铣削表面简化模型的建立7 2 5 4 表面形貌的表征系统的开发7 3 5 5 本章小结7 4 6 总结与展望7 5 致谢7 7 参考文献7 8 攻读硕士期间发表的论文及科研成果8 1 v i 第1 章绪论 l 绪论 1 1 研究背景与意义 社会的不断进步和工业的飞速发展给制造业的发展提供了良好的机遇，但同时也使其 竞争日趋白热化。为了适应激烈的竞争，不断提高产品的性能和质量成为商家的核心追求 之一。然而，零部件制造质量是决定产品的性能和质量的关键因素，加强对零件加工质量 的监控有对于提高产品质量有着重要的意义。 一般来说，零件的质量包括加工精度和表面质量两个方面。表面质量是衡量零件整体 质量的一个重要指标，它是指机械加工获得零件的表面层金属材料性质发生变化的情况。 表面质量对零件的功用有很大的影响，尤其是对产品中零件结合部的接触状态、润滑状态、 摩擦、振动、疲劳、密封、涂层质量、抗腐蚀性、导电性、导热性和反射性能的影响更为 显著【1 】；特别值得一提的是，它对高速、高温和高压条件下使用的零件的可靠性的影响不 容忽视。 因此，加强不同加工方法下用不同加工条件获得的零件表面质量的研究，对于提高产 品的性能和质量有着重要的实际价值。然而，随着精密制造技术的发展，表面质量的内涵 不断向高精化、微观化方向发展。“表面微观几何形貌”是应表面质量研究的不断深入和 高精密表面获取技术的不断进步而提出的表面质量的又一新概念。 表面微观几何形貌是指零件表面的粗糙度、波度、形状误差及纹理等中不规则的微观 几何形状【2 1 ，是表面微观的几何形状和纹理的统称。表面微观几何形貌代表着被加工表面 的微观几何特征，是表面质量的主要方面：它是基于传统的表面质量评定指标表面粗 糙度，并从微观角度更全面地反映零件表面所包含的信息。在对机械产品加工质量要求愈 来愈高的今天，用表面微观几何形貌评定表面质量，将能更详细、更准确、更深入地说明 零件表面的质量情况。 然而，众所周知，不同机械加工方法获得的表面形貌是不同的，所以表面微观几何形 貌的研究宜根据加工方法分开进行。铣削是机械零件生产常用的加工方法之一，不但涉及 到零件的粗加工、半精加工和精加工等各个加工阶段，而且涵盖了零件的大部分加工表面。 但是，铣削加工过程比较复杂，加工质量的受制因素较多，并且获得表面的形貌特征复杂， 给质量控制等带来了极大的挑战。所以，深入研究铣削加工表面的微观几何形貌特征将是 非常重要和必要的。 本文将结合国家“9 7 3 ”高技术研究计划项目“多场强作用下的结合面物理表征” ( 2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 6 ) 和陕西省教育厅科学研究计划项目“结合表面微观形貌测量及表征” ( 2 0 1 0 j k 7 0 7 ) 的研究需要，主要从铣削加工表面微观几何形貌的形成机理和表征方面着 手研究，力求开发出能够指导实际生产的仿真和表征系统。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 铣削加工概述 铣削加工是应用相切法成形原理，用多刃回转体刀具在铣床上对平面、台阶面、沟槽、 成形表面、型腔表面和螺旋表面等进行加工的一种切削加工方法，它是目前应用最广泛的 机械加工方法之一。随着数控技术的成熟，数控铣床和铣削加工中心已经普及应用，特别 是多轴铣削中心、多功能铣削中心和高速铣削机床的大量投入使用，极大地改变了传统铣 削的理念，拓宽了铣削的工艺范围，提高了加工精度，获得了良好的经济效益；同时也使 铣削表面向复合化、高精化和可控化方向发展。 铣削加工的主要特点是：加工效率较高；可用于零件的粗加工、半精加工和精加工阶 段；并且加工方式选择灵活，同一个被加工表面可根据切削要求选取不同的加工刀具或采 用不同的切削方式完成。但是，铣削过程是断续切削的过程，加工情况复杂，且加工刀具 容易破损，就决定了铣削表面的随机性影响因素较多；精铣表面时，宜设法降低这些因素 对表面质量的影响。 按照刀具参与切削部位的不同，铣削可分为周铣和端铣两种铣削方式。周铣是指利用 分布在铣刀圆柱面上的侧刃来形成加工表面的铣削方法，是铣削加工中最常用的种方 式。按照铣刀切削速度与工件进给方向的异同，周铣又可分为逆铣和顺铣。逆铣是指铣刀 的切削速度方向与工件的进给速度方向相反的铣削方式，而顺铣是指铣刀的切削速度方向 与工件的进给速度方向相同的铣削方式。端铣是指利用分布在铣刀体端面上的底刃切削来 形成表面的铣削方法。端铣又可分为对称铣削和不对称铣削，而不对称铣削又分为不对称 顺铣和不对称逆铣。不同的铣削方式产生的表面形貌会有很大差异。 铣刀作为铣削工艺系统的一个重要要素，其种类、几何特征和物理特性都会对加工质 量产生影响。目前，数控铣削常用的刀具主要有立铣刀、端铣铣刀、锥形刀、环形刀、鼓 形刀及球头刀等，它们各自有不同的工艺特点和用途。然而，立铣刀和球头铣刀是铣削加 工中应用最为广泛的刀具，也是其它复杂或先进刀具设计和制造的基础和参照。因此，研 究立铣刀和球头铣刀的加工特点对于研究其它类型刀具的加工机理具有很好的指导作用。 1 3 表面微观几何形貌的主要影响因素 工件表面微观几何形貌的形成主要取决于加工过程中的残留体积，凡是影响表面残留 体积的因素必然会影响表面微观几何形貌的特征。所以，影响铣削加工表面微观几何形貌 的因素主要有以下几个方面： ( 1 ) 刀具特性刀具特性主要是指刀具的几何特征、物理性能、材料等，它是影响 加工表面残留体积的关键因素。其中对表面形貌影响最大的是刀具的几何特征，如刀具形 状和角度等，它们直接决定着表面残留体的形状和体积。刀具的物理性能主要包括硬度、 强度、韧性等，当硬度较低时刀具的磨损速度较快，强度较低时刀具容易变形，而韧性较 低时容易崩刃，而这些情况直接影响着表面形貌。材料特性是决定刀具物理性能的一个关 键因素，并且当其与工件材料发生亲和或切削参数不匹配而破损等时，会对加工表面形貌 2 第1 章绪论 产生很大的影响。此外，在实际加工中刀具的装夹情况，特别是装夹刚度，对表面微观几 何形貌的影响也是不容忽视的，当刚度较低时，施加切削负载容易引起刀具的变形和振动， 而这些因素对加工表面的影响是不言而喻的。 ( 2 ) 切削参数切削参数主要是指切削用量、走刀路线、加工方法、刀具位姿和冷 却液的使用情况等，它是影响加工表面残留体积的主要因素。由金属切削原理可知，在切 削用量中对表面形貌影响最大的是进给量，进给量的大小直接决定着表面残留体积的大 小；而切削速度、切削宽度及切削深度对表面形貌的也有较大的影响，但它们主要是通过 改变切削力而影响表面形貌。除切削用量外，走刀路线选择的不同，得到的表面纹理也必 然不同，如采用单向和往复的走刀路线而产生的表面形貌有着较明显的区别。与走刀路线 一样，加工方法也是影响表面形貌的一个重要方面，如端铣和周铣加工产生的表面形貌是 截然不同的。随着多轴数控机床的出现，刀具位姿设计是刀具轨迹规划的一个重要工作， 而其对表面形貌的影响是轨迹规划时所要考虑的关键因素之一，它不但决定了加工表面的 残留高度而且直接影响着表面纹理方向。此外，冷却液的种类及其使用情况也会对表面质 量产生较大的影响。 ( 3 ) 工件特性工件特性主要是指工件的几何形状和材料的力学性能等。其中工件 材料力学性能是影响表面质量的又一关键因素；譬如，当材料的塑性较大时，加工过程中 容易形成鳞刺和积屑瘤等。此外，工件的几何形状不同，加工形成的表面形貌也会不同， 比如同样条件下加工平面和曲面获得的表面纹理是不同的。 ( 4 ) 加工过程中的物理因素加工过程中的物理因素主要是指切削力、切削区域的 摩擦、刀具磨损、振动和加速度作用下的冲击等。切削力的作用会使刀具和工件产生变形、 颤振等；而切削区域的摩擦会使刀齿耕犁产生的表面发生撕裂或滞刀，并容易使刀齿产生 磨损，这些因素都会影响影响表面的几何形状和纹理分布；振动也是影响表面形貌的一个 主要因素，传统观点认为加工过程中的振动会增大表面粗糙度，然而随着振动加工技术的 成熟，实践证明合理的振动反而会降低表面粗糙度，所以振动对表面质量的影响不能一概 而论，有待深入研究；随着高速切削技术的不断成熟，高速加工成为金属切削加工的一个 热点，它颠覆了传统的切削加工理念，以诸多的优点而广受青睐，但是高速加工时高加速 度引起的冲击会对表面质量产生很大的影响，为此研究者从加工轨迹规划等方面入手，提 出了许多提高表面质量的方法。 为了做到有的放矢，在研究表面微观几何形貌的形成机理时应该从分析其影响因素入 手，但是由以上分析可知加工过程中影响表面形貌的因素很多，并且往往是多个因素的耦 合，给分析带来了极大的难度。然而，零件的表面质量主要是由最终加工决定，而表面的 最终加工通常要求选用锋利的未磨损的刀具，采用小的切削深度、高的切削速度和低的进 给量，保证冷却充分，并且尽可能消除各种物理因素的影响等。此时，刀具的加工情况可 以简化为刚性刀具和刚性工件的几何运动，这样有利于仿真研究的深入进行。 西安理工大学硕士学位论文 1 4 铣削加工表面微观几何形貌的仿真和表征的研究现状 铣削加工表面微观几何形貌仿真及表征技术的研究对预测表面质量、合理选择加工参 数及提高加工质量都具有重要的意义，近年来这两项技术引起了极大的关注，国内外许多 学者对此做了深入的研究，并取得了丰硕的研究成果。 1 4 1 铣削加工表面微观几何形貌仿真研究的现状 随着对铣削表面质量的日益重视和计算机仿真技术的日臻完善，国内外已有很多人致 力于铣削表面微观几何形貌的仿真研究。铣削表面微观几何形貌主要是加工时刀齿在工件 表面上产生的残留体积的分布情况，因此建立刀齿的几何模型，并在此基础上建立刀齿相 对于工件运动的数学模型是仿真的关键。为此，e n g i n 等h 给出了一种通用的螺旋铣刀切 削刃的几何模型，为螺旋铣刀加工表面微观几何形貌的数学建模提供了基本依据；徐安平 等 7 j 在利用图形矩阵变换原理和矢量运算法则建立刀具刀齿上任意点相对于工件的运动 轨迹方程的基础上，建立了广义加工表面的创成模型和三维表面微观几何形貌的仿真算 法。e h m a n n 等【7 1 、徐安平等【6 , 8 - 1 2 1 以及l i 等 1 3 】在广义加工表面创成模型的基础上建立了周 铣加工三维表面微观几何形貌仿真的新算法，算法充分考虑了主轴偏心以及刀杆的静态、 动态变形等因素对表面形貌的影响。m o n t g o m e r y 1 4 j m - - - - 维数组记录了不同时刻不同刀齿 上的离散点在的在工件坐标系里的位置，并在切削过程中不断更新，得到工件表面上分布 点的z 向坐标，推导出了动态铣削过程的表面微观几何形貌模型；b i l a l i sn i k o l a o s 等【” 在 创建虚拟制造平台的基础上，根据刀齿微元的运动轨迹开发出了能够显示表面纹理和预测 表面质量的操作界面，其方法对于表面微观几何形貌仿真的研究有着重要的参考价值。 i s m a i l l l 6 基于精铣时刀具的运动轨迹，并在考虑刀具偏心和磨损的基础上，对周铣精加工 获得的表面微观几何形貌进行了仿真研究；赵军l l7 j 在建立立铣刀几何简化模型、工件表 面的n u r b s 自由曲面模型和切削力预测模型的基础上，设计了高效的高速数控铣削表面 形貌的仿真算法；张广鹏等【l 酬研究了常见铣刀加工产生的表面微观几何形貌的仿真建模 方法，开发了相应的仿真软件系统；崔大鹏等u9 j 研究了半圆弧工件的曲线轨迹加工表面 微观几何形貌的仿真算法，该算法为曲面加工表面微观几何形貌的研究提供了基础依据。 以上的算法都是基于离散刀齿和网格化工件模型的基础上完成的，除此之外，还有基于刀 具扫描体和数值计算等方法研究的。卢嘉鹏等犯州采用优化离散矢量模型完成了毛坯体建 模，并通过对毛坯体与刀具扫描体进行合理的求交运算，生成了不同数控加工轨迹下的表 面微观几何形貌仿真图，该算法无需离散刀具的刀齿，但是将宏观仿真方法应用到表面形 貌的仿真上，会丢失好多微观的信息。高彤等【2 卜2 3 j 基于图形矩阵变换原理、矢量运算法则、 泰勒级数和数值迭代等数学方法构造了周铣加工表面形貌的仿真算法，算法的主要特点是 无需对刀具和工件进行离散处理，可以将刀具的受力变形考虑进去，理论上可以得到任意 点的残留高度值，在任意走刀轨迹下的表面形貌仿真研究方面有较好的推广价值；但是其 计算过程比较复杂，并且最终要回到表面的离散处理上。 4 第1 章绪论 以上主要是针对立铣刀加工产生的表面形貌的研究，而球头铣刀也是铣削中常用的刀 具之一，但其结构和工作过程都比较复杂，加工获得的表面微观几何形貌也比较复杂，引 起了研究者的高度重视。i m a n i 等【0 4 ，0 9 1 及i s m a i l 1 6 】基于广义z m a p 模型，建立了动态铣削 过程中产生的表面微观几何形貌的数学模型；阎兵等 2 7 , 2 8 建立了球头铣刀加工表面的广义 创成模型及其微观几何形貌的仿真算法，并可以分析多种复杂的运动方式及更多因素对表 面形貌的影响；梁生龙 2 9 j 全面考虑了进给行距、加工倾角和切削用量等因素对工件表面 形貌的影响，基于图形矩阵变换原理和矢量运算法则建立了通用性较强的的数学模型，并 以双三次贝塞尔曲面构建了表面形貌的几何模型，并在考虑主轴回转偏心和轴向窜动等因 素的基础上开发出了铣削加工表面微观几何形貌的仿真系统。赵晓明等【3 0 】基于图形矩阵 变换原理，完成了对球头铣刀加工过程的数学建模，并开发了高品位模具表面加工的仿真 系统，成功地实现了球头铣刀加工表面微观几何形貌的仿真。 1 4 2 铣削加工表面微观几何形貌表征研究的现状 表面形貌的二维参数表征法被广泛用于科学研究和工程应用领域已近半个多世纪之 久，但随着现代高精密表面获取技术的成熟，以及人们对表面质量的认知水平的提高和研 究层次的不断深入，表面形貌的许多信息的获取仅靠二维参数已经显得无能为力。为此， 研究者在表面形貌表征方法方面做了诸多的探究，并且有了较大的突破。目前，常见的表 征方法有：三维参数表征法、m o t i f - 表征法和分形表征法1 3 u ；杨培中【3 2 】利用分形几何理论 对零件表面进行了分形模拟，并在使用最小二乘法确立基准面的基础上应用三维参数表征 法，更加准确合理地完成了对零件表面微观几何形貌特征的表征。李志强【3 3 】在完成对表 面形貌检测方法研究的基础上，专门对表面形貌的m o t i f 表征方法进行了探讨；冯秀和顾 伯勤1 3 4 j 详细阐述了表面形貌表征方法的国内外研究情况，并着重分析了加工表面形貌分 形特性的研究现状及意义；王炳成等瞄5 j 研究了剪切表面分形维数的计算方法，并得出了 剪切痕迹表面形貌轮廓曲线的分形维数；孙霞和吴自勤【3 6 】用变分法成功计算了具有相同 平均算术偏差( r 。) 的表面形貌的分形维数，为根据零件的表面形貌反推加工方法提供了 依据。 为了便于接触表面的相关计算，常将零件表面形貌简化为一定的几何模型，即表面接 触模型，模型的合理性直接影响着后续计算结果的正确性。g r e e n w o o d 和w i l l i a m s o n t 3 7 1 提 出了基于统计分析的粗糙表面和光滑表面之间弹性和弹塑性混合接触模型，即g w 模型； w h i t e h o u s e 等 3 8 在g w 模型模型的基础上提出了粗糙表面接触的弹塑性接触模型，即w 诅 模型；n a y a k 3 9 1 基于l o n g e t h i g g i s o n 分析海洋表面所建立的统计几何理论，提出了随机粗 糙表面的另一塑性接触模型- n a y a k 模型；赵永武等【4 0 】基于接触力学理论，并在假设接 触微凸体由弹性变形向塑性变形及最终向完全塑性变形的转化皆是连续和光滑的基础上， 提出了一种新型的粗糙表面弹塑性微观接触模型。前述模型对测量数据的尺度有很大的依 赖性，为了减小尺度对模型准确性的影响，m a j i t m d e r 和b h u s h a n t 4 1 1 提出了以分形几何为基 础的接触模型- m b 模型，解决了与尺度相关的问题，该模型主要适用于理想的弹塑性 西安理工大学硕士学位论文 接触情况；朱育权等0 2 基于m b 模型，并在考虑材料的弹塑性变形过程和接触界面摩擦的 作用的基础上，建立了粗糙表面接触的弹性、弹塑性、塑性分形模型。 然而，大多数表面形貌简化经典模型建立的依据都是表征参数。根据研究侧重点的不 同，要求所建立的简化模型能够反映相关参数。因此，表面形貌的参数表征是模型简化的 基础，也是后续计算的依据。 1 5 论文的主要研究内容 本文进行了铣削加工表面微观几何形貌的仿真和表征技术的研究，主要从以下几个方 面展开： ( 1 ) 综述铣削加工表面微观几何形貌的仿真和表征技术的概况和研究现状，介绍铣 削加工及机械加工零件表面微观几何形貌的主要影响因素。 ( 2 ) 建立常见铣削方法球头铣刀铣削、立铣刀端铣和周铣的数学模型，为开发 铣削加工表面微观几何形貌的仿真系统奠定理论基础。 ( 3 ) 设计铣削加工表面微观几何形貌的仿真算法，并开发仿真系统。 ( 4 ) 通过实际的铣削加工实验，验证铣削加工表面微观几何形貌仿真算法和仿真系 统的可靠性。 ( 5 ) 基于自行开发的仿真系统，重点分析进给速度、进给行距、刀具螺旋角、刀具 直径、刀具倾斜方位角、刀具的径向跳动、刀具的轴向窜动、铣削方法及走刀方式对加工 表面微观几何形貌及表面粗糙程度的影响，并专门分析不同加工方法对曲面表面微观几何 形貌的影响。 ( 6 ) 在对零件表面微观几何形貌的测量数据进行预处理的基础上，利用三维参数法 完成对零件加工表面微观几何形貌的表征，并开发表征系统；基于三维参数表征和表面微 凸体的经典简化模型，研究表面形貌的表征模型设计的新方法。 6 第2 章铣削加工表面微观几何形貌的建模 2 铣削加工表面微观几何形貌仿真的建模 铣削加工表面是由刀具和工件的位置关系确定的，而刀具和工件的位置关系可以通过 它们本身的特征参数和切削参数联系起来，进而由数学分析得到，这个过程就是铣削加工 表面微观几何形貌的数学建模过程。数学建模是铣削加工表面微观几何形貌仿真研究的理 论基础。本章将分别对球头铣刀和立铣刀铣削加工表面微观几何形貌进行数学建模，在建 模过程中充分考虑铣削方式、走刀路线以及刀具的径向跳动和轴向窜动等因素的影响。 2 1 铣削加工表面形成机理及铣削要素 在铣削加工过程中，加工表面是刀具几种运动合成作用时残留在工件表面上的痕迹； 铣削加工表面的几何形状和纹理( 统称为表面几何形貌) 归根结底取决于刀具和工件在切 削运动过程中的相互位置关系；和其它机械加工表面一样，铣翻j ；b n 工表面形貌不仅与具体 的切削加工方式和加工条件有关，而且还与机床结构的动力学特性，及刀具、工件的材料 和力学特性有关f 矧。 前已述及，零件的表面质量主要由最终加工决定。最终加工通常是轻载加工，可以将 其看作“准理想状态加工”( 切削条件理想；振动、刀具和工件在加工过程中的变形，刀 具的磨损等都可以忽略) 。在这种情况下，铣削加工表面形貌的影响因素就可以得到简化， 主要是进给速度、进给行距、刀具螺旋角、刀具直径、刀具倾斜方位角、刀具的径向跳动、 刀具的轴向窜动、铣削方法及走刀方式等。 由金属切削理论可知，进给速度作为切削要素之一，对表面粗糙度的影响最大。为了 便于分析，下面将简要介绍铣削要素。 铣削要素是铣削时调整机床的参量，也称为铣削用量。如图2 - 1 所示，铣削用量包括 以下几个要素1 4 4 】： ( 1 ) 铣削速度v铣削速度是指铣刀切削刃上基点相对于工件的主运动的瞬时速度 ( 一般指铣刀外缘处的线速度) ，计算公式如下 v = g d n 1 0 0 0( 2 1 ) 式中，d 为铣刀直径( m m ) ，n 为铣刀转速( r m i n ) 。 ( 2 ) 进给量f ，和v f