（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其应用研究.pdf

， 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 铣削加工是 可以获得复杂轮 的微观几何形貌 机理，可以为控制表面粗糙度和确定合理的切削用量提供科学依据，具有重要的理论和 应用价值。 本论文建立了球头铣刀、圆柱铣刀、面铣刀的数学模型，研究了表面形貌仿真算法， 并对仿真算法中划分角度、刀刃离散点数、时间步长进行了优化，然后利用了v c 、 f o r t r a n 、m a t l a b 混合编程，开笈了铣削加工表面微观几何形貌仿真软件系统，可队方 便快速地进行表面微观几何形貌仿真和表面粗糙度的预测。通过实验验证了所开发的仿 真系统的有效性。然后，基于铣削加工表面微观几何形貌仿真系统，以球头铣刀为主要 研究对象，研究了进给速度、进给行距、刀具倾斜角度、刀具相位差、主轴偏心、刀具 倾斜方式、进给方式等因素对加工表面微观几何形貌及粗糙度的影响规律；基于改进遗 传算法及铣削加工表面微观几何形貌仿真软件系统，通过建立球头铣刀铣削参数优化的 数学模型，开发了铣削参数优化设计软件，给出了优化算例；基于铣削加工表面微观几 何形貌仿真软件系统，建立了零件表面花纹图库，为零件功能表面花纹加工提供了一条 新途径。 关键词：表面形貌仿真；铣削参数优化；遗传算法；表面花纹加工；表面粗糙度； l， 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d i e so fm i c r o t o p o g r a p h ys i m u w i o no nm i l l e d s u r f a c ea n di t sa p p l i c a t l o n m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n n a m e ：g u a n g y u ex u s u p e r v i s o r ：p r o f g u a n g p e n gz h a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：鱼幽篡丝加 s i g n a t u r e ： m i l l i n gi se x t e n s i v eu s e di nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ei n d u s t r y t h er a n g eo fm i l l i n gi sw i d e a n dt h ee f f i c i e n c yo fm i l l i n gi sh i g h m a n yc o m p l e xp r o f i l e sc o u l db eo b t a i n e dt h r o u g hm i l l i n g r o u g h n e s si so n eo ft h ek e yi n d e xi ne v a l u a t i n gt h es u r f a c eq u a l i t yo fp a r t s ，a n di t c a nb e d i r e c t l yr e p r e s e n t e db ym i c r o - t o p o g r a p h yo ft h em a c h i n e dp a r ts u r f a c e s t h er e s e a r c ho nt h e f o r m i n gt h e o r yo fm i c r o - t o p o g r a p h yo ft h em a c h i n e dp a r ts u r f a c e sc a np r o v i d et h ep r o o fi n c o n t r o l l i n gt h es u r f a c er o u g h n e s sa n d i nd e t e r m i n i n gt h ep r o p e rc u t t i n gp a r a m e t e r s t h e r e f o r ei t i ss i g n i f i c a n tt od e v e l o pt h es u r f a c et e x t u r es i m u l a t i o ns y s t e m t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fab a l l e n dm i l l i n gc u t t e r , ac y l i n d r i c a lm i l l i n gc u t t e ra n da l l e n dm i l l i n gc u t t e ra r ee s t a b l i s h e df i r s ti nt h i st h e s i s t h e nt h es i m u l a t i o na l g o r i t h m so fs u r f a c e t e x t u r ei ss t u d i e d a n dt h ed i s c r e t ea n # e ，t h ea m o u n to fd i s c r e t ep o i n t s ，a n dt h et i m es t e pi nt h e s i m u l a t i o l aa l g o r i t h m sa r eo p t i m i z e d t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eq fm i c r o - t o p o g r a p h yo nm i l l e d s u r f a c ei sd e v e l o p e db ym i x i n gl a n g u a g e so fv c ，f o r t r a na n dm a t l a b i tc a nd i s p l a yt h em i l l e d s u r f a c et e x t u r ea n df o r e c a s tt h er o u g h n e s sq u i c k l y t h ee x p e r i m e n t so fm i l l i n ga r ec a r r i e do u t ， a n dt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a ts u r f a c et e x t u r es i m u l a t i o ns y s t e mi sr e l i a b l e b a s e d o nt h es i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ei n f l u e n c et om i l l e ds u r f a c ea n ds u r f a c et e x t u r eb yt h ec u t t i n g p a r a m e t e r ss u c ha sf e e dr a t e ，p i c kf e e d ，t h et o o li n c l i n a t i o na n g l e ，c u t t i n ge d g eo r i e n t a t i o n ，t h e t o o lr o t a t i o n a le c c e n t r i c i t y , t h ec u t t i n gi n c l i n a t i o nm o d e l s ，t h ef e e dm o d e l sa r ea n a l y z e d t h e o p t i m i z a t i o nm o d e lo fb a l l - e n dm i l l i n gp r o c e s si se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s ，a n dt h eo p t i m i z a t i o n p r o g r a mi sd e v e l o p e d a ne x a m p l ei l l u s t r a t e dt h eo p t i m i z a t i o np r o c e s si sg i v e no u t f i n a l l yt h e s u r f a c et e x t u r el i b r a r yi se s t a b l i s h e db a s e do nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r es y s t e mt op r o v i d ean e w g u i d a n c ei nm a c h i n i n gm o u l dd e c o r a t i o n k e y w o r d s ：s u r f a c et e x t u r es i m u l a t i o n ：m i l l i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ：g e n e t i ca l g o r i t h m ： s u r f a c ed e c o r a t i o nm a c h i n i n g ：s u r f a c er o u g h n e s s ： i i ! 西安理工大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪论1 1 1 研究课题的提出及其意义1 1 2 加工表面质量的影响因素分析1 1 3 计算机仿真技术在现代制造技术中的应用概况2 1 4 国内外在切削加工仿真及切削参数优化领域的研究现状3 1 4 1 车削加工表面微观几何形貌仿真方法研究3 1 4 2 铣削加工表面微观几何形貌仿真方法研究4 1 4 3 铣削参数优化的研究4 1 5 本论文的主要研究内容5 1 6 本章小结6 2 铣削表面微观几何形貌仿真系统建模7 2 1 铣削加工表面形成理论。7 2 2 铣削要素概述- ：7 2 3 球头铣刀的数学建模。8 2 3 1 刀具坐标系下刀刃的数学建模。8 2 3 2 工件坐标系下刀刃的数学建模1 0 2 4 可转位面铣刀( 端铣刀) 的数学建模1 3 2 4 1 刀具坐标系下刀刃的数学建模1 4 2 4 2 工件坐标系下刀刃的数学建模一1 5 2 5 圆柱铣刀的数学建模1 6 2 5 1 刀具坐标系下刀刃的数学建模1 6 2 5 2 工件坐标系下刀刃的数学建模1 7 2 6 本章小结1 8 3 铣削表面微观几何形貌仿真软件系统开发，1 9 3 1 球头铣刀仿真算法1 9 3 1 1 铣削表面微观几何形貌仿真方法1 9 3 1 2 优化算子。2 0 3 2 面铣刀仿真算法。2 2 3 2 1 面铣刀铣削表面微观几何形貌仿真方法2 2 3 2 2 优化算子2 2 3 3 圆柱铣刀仿真算法2 3 3 3 1 圆柱铣刀铣削表面微观几何形貌仿真方法2 3 3 3 2 优化算子2 3 3 4 铣削加工表面粗糙度的影响因素分析及预测2 3 3 4 1 影响加工表面粗糙度的因素分析2 3 3 4 2 铣削加t 表面粗糙度预测2 4 3 5 仿真系统程序的实现2 4 3 5 1 编程语言的选择2 4 3 5 2 仿真程序流程图2 7 3 6 本章小结2 7 v 西安理工大学硕士学位论文 4 铣削表面微观几何形貌仿真系统的实验验证2 9 4 1 实验设备及方法2 9 4 1 1 切削设备、刀具、工件2 9 4 1 2 实验方法3 0 4 2 实验与仿真结果对比分析3 0 4 2 1 加工表面微观几何形貌验证3 1 4 2 2 粗糙度验证3 2 4 3 本章小结3 3 5 铣削表面微观几何形貌仿真分析3 4 5 1 铣削表面微观几何形貌仿真3 4 5 2 进给速度对表面粗糙度的影响3 5 5 2 1 进给速度对球头铣刀加工表面粗糙度的影响3 5 5 2 2 进给速度对面铣刀加工表面粗糙度的影响3 7 5 2 3 进给速度对圆柱铣刀加工表面粗糙度的影响3 8 5 3 球头铣刀进给行距对加工表面粗糙度的影响3 9 5 4 球头铣刀倾斜角度对加工表面粗糙度的影响3 9 5 5 球头铣刀刀刃相位差对表面粗糙度的影响4 0 5 6 主轴运动误差对球头铣刀加工表面粗糙度的影响4 2 5 6 1 主轴回转偏心对球头铣刀加工表面粗糙度的影响4 2 5 6 2 主轴轴向窜动对球头铣刀加工表面粗糙度的影响4 4 5 7 球头铣刀铣削方式对加工表面微观几何形貌的影响4 6 5 8 球头铣刀进给方式对加工表面微观几何形貌的影响4 7 5 9 本章小结。4 8 6 基于加工表面粗糙度预测的铣削参数优化4 9 6 1 遗传算法简介4 9 6 1 1 遗传算法的起源和发展：。4 9 6 1 2 遗传算法的特点4 9 6 1 3 遗传算法的操作流程5 0 6 1 4 遗传算法的改进5 l 6 2 铣削参数优化模型的建立5 1 6 2 1 优化变量的确定5 1 6 2 2 优化目标函数的确定5 2 6 2 3 约束条件的确定。5 3 6 2 4 球头铣刀耐用度公式推导5 3 6 3 基于改进遗传算法优化铣削用量参数5 7 6 3 1 编码方式的选取5 7 6 3 2 约束条件的处理方法5 7 6 3 3 种群初始化5 8 6 3 4 选择操作6 0 6 3 5 交叉操作 6 3 6 变异操作6 1 6 3 7 最优个体保留策略6 2 v l 目录 6 3 8 本文中的遗传算法程序。：6 3 6 4 优化算例6 5 6 5 本章小结6 6 7 铣削加工表面花纹研究6 7 7 1 产品表面花纹的用途6 7 7 2 制件表面花纹的常规加工方法6 8 7 3 球头刀铣削加工表面花纹及其花纹库的建立6 9 7 4 本章小结6 9 8 全文工作总结及展望。7 3 致谢7 5 参考文献7 6 附录”岬7 9 v 第一章绪论 1 绪论 1 1 研究课题的提出及其意义 近年来，随着工业的不断发展，制造业正面临着由于经济全球化所带来的激烈的市场 竞争，生产者对产品的质量要求也越来越高，尤其在汽车、航空航天、模具等行业对加工 质量要求越来越高。 众所周知，零件加工质量包括尺寸精度和表面质量两个方面，表面质量是其中很重要 的一个指标，它对零件的使用性能，尤其是高速、高温和高压条件下的零件可靠性有很大 的影响。产品的性能和质量是通过产品的设计确定的，并且由该产品零部件的制造和装配 质量来保证，因此零件加工表面质量将直接影响着产品质量。 表面粗糙度是评定零件表面质量的一项重要指标，加工表面的残余高度是形成表面粗 糙度的主要因素，而刀刃几何形状和切削用量参数是影响加工表面残余高度的主要因素， 要控制加工表面粗糙度，就需要研究加工表面残余高度的形成机理，即研究被加工表面的 微观几何形貌的创成机理。通过加工表面微观几何形貌创成机理的研究，不仅为加工表面 质量控制提供依据，而且可以为加工参数优化控制提供平台，因此建立一套能够快速进行 加工表面微观几何形貌仿真的软件系统，将对指导实际加工具有非常重要的意义。 1 2 加工表面质量的影响因素分析 由于工件表面在整个切削过程中处在楔入，挤压，断裂和摩擦的复杂受力状态下，进 行弹性和塑性变形，在切削力，切削热和周围介质的共同作用下，改变了工作表面的几何 特征和物理力学性能，因此经过加工后所形成的零件表面并不是一个理想表面，而是在零 件表面上形成了一层很薄的表面层，其特性与内部基体的特性有很大的区别。描述工件表 面的特性主要有以下两个方面1 1 儿2 j ： ( 1 ) 表面几何特征。主要包括四个方面，第一是表面粗糙度，加工表面上具有的较 小间距的峰谷所组成的微观几何形状特征。它主要是由机械加工中切削刀具的运动轨迹所 形成。第二是表面波度，介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的中间几何形状误差。 主要由切削刀具的偏移和振动等造成。第三是表面加工纹理，代表表面微观结构的主要方 向。它取决于表面形成所采用的机械加工方法，也就是主运动和进给运动的关系。第四是 伤痕，在加工表面一些个别位置上出现的缺陷。它们大多是随即分布的，如毛刺，裂痕和 划痕等。 ( 2 ) 表面层的物理力学性能。在对零件进行机械加工过程中，在零件的表面发生各 种复杂的物理化学变化，引起了表面层物理力学性能的改变，主要包括表面层加工硬化， 表面层金相组织的变化和表面层的残余应力。 表面质量对于零件使用性能也会产生很大影响，因为表面质量反映了表面的几何特征 和表面层的物理力学特性，它对于机械零件的耐磨性，配合质量，抗疲劳强度，抗腐蚀性 西安理工大学硕士学位论文 及接触刚度等方面的使用性能都有很大的影响【3 】【4 】。机械零件的使用寿命在很大程度上取 决于零件的耐磨性。零件的表面质量起着很重要的作用。表面层的加工硬化使零件的表面 层硬度提高，使表面层的弹性和塑性变形减少，提高零件的耐磨性。 总之，提高加工表面的质量在产品的实际生产加工中是至关重要的。 1 3 计算机仿真技术在现代制造技术中的应用概况 仿真( s i m u l a t i o n ) 是虚拟制造技术中非常流行的主要技术之一，它指的是：用模型( 物 理模型或数学模型) 来模仿实际系统，代替实际系统来实验和研究，它是产品开发中的常 用技术手段。以计算机为主要工具的模拟仿真技术在2 0 世纪的后5 0 代年迅速发展起来， 成为工程技术领域计算机应用的重要方向。到9 0 年代中期，仿真技术发展为虚拟制造技 术。它创建了一种具备物理性能的虚拟制造环境，使在荧屏上的图像不仅能连续地放映制 造过程的动态，而且跟随操作者的动作作出近乎实时的反应。这种虚拟制造环境可为操作 者提供可视化和可感知化的人机实时交互界面，有助于优化加工工艺，合理配置加工设备 和物流系统，缩短加工周期，提高产品质量和降低成本，因而将成为2 l 世纪发展机械加 工技术的一个重要工具。 目前进行的机械加工过程的控制和优化主要是采用离线仿真，有两种情况：一种是从 研究金属切削的角度出发，仿真某具体切削过程内部各因素的变化过程，研究其切削机理， 供生产实际与研究应用；另一种则是将加工过程仿真作为系统的一部分，重点在于构造完 整的虚拟制造系统。实质上，这两种方式的仿真方法是相同的，即首先对机加工工艺系统 建立连续变化模型，然后用数学离散方法将连续模型离散为离散点，通过分析这些离散点 的物理因素变化情况来仿真加工过程。 国内外已经有好多人针对加工表面形貌的仿真这个领域作过好多研究。通过对已加工 表面形貌进行仿真和对仿真表面进行分析，可以优化切削参数，选择适当的刀具，从而保 证已加工表面质量。同时，还能省去因反复做实验来确定加工参数而花费的时间和成本。 现在的仿真都被广泛应用于加工过程的研究，因为他能够评价加工的能力，而且不需 要另外花费时间和成本去做实验，比如在铸件的铣削和车削中都会用到仿真。传统的加工 做法就是通过反复的实验切削，经过其他工具对表面的分析，确定出最合适的加工参数， 比如主轴的转速大小，进给量的多少等。这种传统的加工方法对于超精密加工已经不是很 方便了，并且超精密加工的表面需要更精确的要求，因此不能再通过反复实验来确定加工 参数了。所以研究加工表面形貌的仿真来代替这种既花费时间又消耗成本的办法，具有现 实意义。 通过仿真来判断表面是个什么样的效果，经过对参数的优化来确定出最后实际加工的 参数，这种办法是在实际加工中是很有效的，可以确定出较为合理的加工参数，不仅保证 了加工表面粗糙度，而且可以提高加工效率。另外，通过仿真可以为省去后续的磨削工艺 提供合理的切削用量参数，比如在加工球面和椭球面的时候，如果加工参数通过优化而确 定下来，然后再用于实际的加工，加工过后的表面粗糙度较少，可以省去后续的磨削加工， 2 提高生产效率和 1 4 国内外在切削加工仿真及切削参数优化领域的研究现状 1 4 1 车削加工表面微观几何形貌仿真方法研究 在车削表面微观几何形貌仿真方面的研究者很多，如张滢，王维等人在国内外相关研 究工作的基础上，综合考虑影响表面轮廓形成的多种相关因素，提出矢量叠加和参数动态修 正两种方法相结合来建立加工表面轮廓仿真模型，从而解决了全方位、真实预测数控车削 表面粗糙度这一技术难题，并阐述了应用v c + + 6 0 和o p e n g l 建立不规则表面轮廓的关 键技术【酗。该文献对加工过程中的主轴振动的影响没有描述，但是它却利用了v c + + 和 o p e n g l 来实现三维表面形貌仿真图形的表达。 廉哲满、赵德金等利用图形矩阵变换和矢量运算法则，开发出了车削加工中三维表面 形貌的仿真算、法【7 l ，并通过表面轮廓的空间频谱分析，更进一步了解了表面轮廓的形成机 理【8 】，考虑了多种影响产生表面形貌的因子，通过实验验证计算机仿真模型的有效性【9 1 。 这几篇文献讨论了表面形貌的影响因素，如工件和刀具的材料，切削条件，加工系统的振 动和剪切区的弹塑性变形等，并表明加工表面微观几何形貌不但对机械零件的摩擦、磨损、 接触刚度、疲劳强度、配合性质和传动精度等影响很大，而且直接影响机器的使用性能及 寿命。因此要准确地描述切削加工表面微观几何形貌，一方面应建立合理的刀具几何模型 以及切削过程的运动学和动力学模型，另一方面还需要构造出精确的表面形貌的解析计算 方法。 尹自强，李圣怡在参考许多国内外学者研究成果的基础上开发了超精密镜面切削的仿 真系纠1 们，c e c h e u n ga n dw b l e e 对超精密加工仿真有较深入的研列1 1 l 【1 2 l i l 3 】。他们提出 了单点金刚石超精密车削仿真算法，建立了表面粗糙度成型的理论和进行了相关的实验研 究，并通过仿真系统能够很好地预测出表面粗糙度轮廓和给出合理的加工参数，所开发仿 真软件系统是在m a t l a b 语言的基础进行的。另外，他们还提出了根据频谱来分析加工 表面的形貌和颤振的效果，且根据分析结果可以诊断加工中的错误。超精密金刚石车削的 仿真研究工作在国际研究的相对较少，因为超精密加工中有需多特殊要求：几个纳米的粗 糙度和几个微米的公差配合，而且有的还要求表面有特殊的加工纹理。超精密加工的表面 形貌仿真还是有一定难度的，要想使仿真效果更能接近于实际的加工过程，使仿真的效果 更好，必须建立更加完善的理论模型。这也是将来研究的一种方向。 在车削表面微观几何形貌仿真研究中，研究者主要研究了表面粗糙度成形的机理。 p a n d i t 1 4 】1 1 5 l 利用d a t ad e p e n d a n ts y s t e m s ( d d s ) 的办法分析表面粗糙度，发现了刀具和 工件的相对颤振对表面的粗糙度影响占主导地位，说明颤振是主要的影响因素。对于动态 切削过程，颤振却是时间的函数，而且各动态参数之间都保持严格的相位关系。因此，要 描写切削过程的现象与规律，必须建立有关动态参数的时间序列。d d s 法是将实际切削 中动态数据通过微机测试系统按时序存储起来( 建立动态数据库) ，然后进行运算与数据 3 给量为决策变量，满足的约束条件为：( 1 ) 表面粗糙度：( 2 ) 最大进给量；( 3 ) 车床功率。在 1 9 9 8 年，m c e m a a lc a k i r 和a d a mg u r a r d a 瞄j 建立了多走刀车削加工的数学模型。他们也 是以最低生产成本为目标，满足的约束条件为：( 1 ) 机床切削速度范围：( 2 ) 机床进给量范 围：( 3 ) 进给深度；( 4 ) 切削进给力；( 5 ) 机床功率：( 6 ) 总切削深度。1 9 9 8 年，jw a n g ! 冽建立 了端面铣削加工模型。他根据最少生产时间为目标，参数变量满足的约束为：( 1 ) 切削力 约束；( 2 ) 主轴扭矩约束：( 3 ) 机床最大功率约束；( 4 ) 机床进给速度和切削速度约束；( 5 ) 表 面粗糙度约束。1 9 9 9 年，a i h s a ns o n m e z 和a d i lb a y k a s 0 酉u i 韧建立了多走刀铣削加工数 学模型。他们以最少生产时间为目标，参数变量满足的约束为：( 1 ) 进给速度和切削速度的 4 第一章绪论 范围约束；( 2 ) 功率约束；( 3 ) 刀具刚度约束。在钻削加工领域，1 9 9 8 年，j u nw a n g 2 8 l 以最 低生产成本为目标建立了钻削的数学模型。2 0 0 1 ，杨勇1 5 j 建立了以最大生产率为目标的加 工中心铣削参数优化数学模型，其约束方程基本上和以上的相同。这些模型有个共同的特 点，即都以某一个目标为目标函数，列出需要满足的约束方程，然后采用某种优化算法寻 求变量的最优解。2 0 0 5 年，邓朝掣5 1 】基于最大生产率和最低加工成本，建立了加工中心 一次走刀立铣的切削用量优化模型，他是以最大生产率和最低加工成本两个目标为目标函 数的。 由于切削加工是很复杂的过程，其所建立的模型中，不论是目标函数还是约束方程， 有大部分是非线性方程。所以对于切削加工切削参数优化问题是属于非线性规划，应该采 用非线性优化方法进行优化规划。前而的许多学者在建立各自的不同工种的数学模型的同 时，也提出了许多优化算法用来解决优化问题。在早期，由于所建模型相对较简单，他们 采用的算法是积分型算、法【2 9 1 ，比如g r g 算法、s u m t 算法、以及非积分型算法一几何 算法( g p ) 。近来，随着切削理论的成熟，许多公式越趋复杂，如果还采用积分型算法的话， 不仅花费时间很长，而且求导困难，导致所建立的模型根本无法求解。所以，有些学者采 用几何算法和线性算法结合，或采用几何算法和动态规划相结合。他们所采用的优化算法 很多时候只能搜索局部最优解，对于非线性、非凸性的优化问题，可能有许多局部最优解， 而我们要搜索的是全局最优解。因此建立合理有效的加工参数优化算法具有实际应用价 值。 。 对于切削参数优化，目前，常用的优化算法，如牛顿法、混合惩罚函数法等，都是基 于爬山法原理的单点搜索方法印j ，其主要缺点在于对于多峰值目标函数，算法容易收敛 于局部最优；对于约束问题需构造惩罚函数，不适合于解决不连续或不可导函数的优化问 题，算法搜索效率低。遗传基因算法( g a ) 为解决此类复杂的优化问题找到了一条全新的 途径。然而这类算法好多都是应用于车削、面铣削加工中，应用于球头铣刀铣削参数优化 较少。而且这好多优化模型中的目标函数多是根据经验公式，而基于表面仿真算法铣削参 数优化还没有出现，这方面还需要进一步研究。 1 5 本论文的主要研究内容 由于机械加工过程仿真还处于发展阶段，尽管前人在铣削加工表面形貌仿真方面作了 大量研究工作，并且获得很多成果，但是由于该领域涉及技术广泛，分领域也很多。因此， 要开发精度较高，适用范围较广的铣削加工表面微观几何形貌仿真软件仍存在许多问题有 待解决，如仿真效率问题、计算精度问题等，球头铣刀加工近几年刚得到重视，研究还不 完善，如仿真自由曲面加工、考虑振动因素等还未见报道。另外，如何将加工表面微观几 何形貌仿真结果应用到切削参数优化，还未见相关的研究报道。本文在收集大量的有关切 削加工仿真资料的基础上，对铣削加工表面微观几何形貌仿真方法及其应用开展如下几个 方面的研究工作t 1 、建立常见的球头铣刀、圆柱铣刀、面铣刀数学模型，推导铣削加工仿真的相关公 5 西安理工大学硕士学位论文 式，为开发铣削加工表面微观几何形貌仿真软件系统奠定理论基础。 2 、研究了表面形貌仿真算法，并对仿真算法中最大划分角度、刀刃离散点数、时间 步长等进行了优化，最后开发了铣削加工表面微观几何形貌仿真软件系统。 3 、通过铣削加工实验，验证了所建立的铣削加工表面微观几何形貌仿真算法及软件 系统的可靠性。 4 、利用开发的仿真软件系统，研究进给速度、进给行距、刀具倾斜角度、刀具相位 差、主轴偏心等因素对铣削加工表面微观几何形貌及粗糙度的影响规律，为实际加工提供 依据。 5 、基于改进的遗传算法及铣削加工表面微观几何形貌仿真软件系统，建立了球头铣 刀铣削参数优化的数学模型，并开发了优化软件系统，为切削加工参数的优化提供一条新 途径。 6 、基于铣削表面微观几何形貌仿真软件系统，研究铣削加工表面花纹的成形规律， 并建立相应的表面花纹库，为模具等功能零件表面花纹加工提供依据。 j 6 本章小结 本章介绍了加工表面微观几何形貌仿真的研究概况，对铣削、车削加工表面仿真的研 究现状进行了对比，指出了研究铣削加工表面微观几何形貌仿真技术的重要性，最后提出 了本论文的主要研究内容。 6 第二章铣削表面微观几何形貌仿真系统建模 2 铣削表面微观几何形貌仿真系统建模 几何形貌仿真就是通过对切削参数的数学分析来建立仿真系统，这就需要对加工过程 进行数学建模。因此，本章针对球头铣刀、面铣刀、圆柱铣刀分别进行了数学建模，并考 虑了刀具的铣削方式、进给方式及主轴的回转偏心和轴向窜动等因素。 2 1 铣削加工表面形成理论 加工表面是由刀具相对于工件的运动合成作用时，残留在工件表面上的痕迹。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，它不仅与具体的切削加工方式和切削加工条件( 包括走刀路径) 有关， 而且还与机床结构的动力学特性、刀具和工件的材料及力学特性有关1 3 2 l ，通常用表面粗 糙度作为加工表面质量的量化评价指标。 在正常加工状态下，影响工件表面几何形貌的主要因素有：刀刃的几何形状与尺寸、 切削用量( 刀具旋转速度、进给量等) 、切削振动等，对于静态切削过程，刀具进给量厂是 影响表面粗糙度的主要因素，而在实际的切削过程中，由于切削振动的存在，使刀具与工 件之间发生相对位移，是导致工件形成微观凹凸不平的表面一项因素，从而影响到工件表 面几何形貌特征，这时，评价工件表面质量就要在考虑理论粗糙度的基础上，还要考虑动 态切削的其它各项特征及相关因素。 2 2 铣削要素概述 铣削时调整机床的参量称为铣削要素，也称为铣削用量要素，如图2 1 所示，铣削用量 包括下列几个要烈3 1 l ： ( 1 ) 铣削速度v是指铣刀旋转时的线速度，可用下式计算： v - 砌l 1 0 0 0 ( m m i n ) ( 2 1 ) 式中d 铣刀直径( r a m ) 一_ 铣刀转速( r m i n ) ( 2 ) 进给量由于铣刀是多齿刀具，铣削进给量包括三种，即进给速度y ，、每转进给 量，、每齿进给量九。三者间的苯系为： y ，一巧- n z o 无 (2nz2 ) y ，。-o ，z l zj 式中，z o 为铣刀刀齿数。 ( 3 ) 背吃刀量口口如图2 - 1 所示，它是平行于铣刀轴线方向度量的切削层尺寸，单位为 m m 。端铣时，a ，为切削层厚度；而圆周铣削时，a p 为被加工表面的宽度。 ( 4 ) 倾l j 吃刀量a ， 它是垂直于铣刀轴线方向和进给方向度量的切削层尺寸，单位为 7 西安理工大学硕士学位论文 m m 。端铣时，a 。为被加工表面宽度而圆周铣削时，a 。为切削层的深度。 ( a ) 圆周铣( b ) 端铣 图2 - 1 铣削用量要素阳1 1 f i g 2 - 1m i l l i n gp a r a m e t e r s 2 3 球头铣刀的数学建模 球头铣刀是3 轴和4 轴数控铣床中，用于自由曲面半精加工和精加工的主要刀具。 球头铣刀的刀刃由侧刃和球形刃两部分组成1 1 9 1 。由于球头铣刀的特征主要集中在球形 刃部分，且在精加工时一般使用球形刃进行加工，因此在本研究中仅考虑球头铣刀的球形 刃部分。球头铣刀的球形刃通常有平面刃和螺旋刃两种形式。平面刃铣刀结构简单、易于 设计和制造，但在切削时不利于切屑的顺利排出；螺旋刃铣刀制造相对复杂，但其切削性 能稳定。实际加工中这两种刃形的球头铣刀都比较常用，因此本章主要针对这两种刃形铣 刀进行分析。 2 3 1 刀具坐标系下刀刃的数学建模 a 刀具刃形的表达式 在建立刀刃数学模型时，以铣刀球形刃的球心为原点建立如图2 2 所示的刀具坐标系 q u v w ，其中矽为刀具轴线方向。一般来说，球头铣刀有单刃、双刃、四刃等不同形 式。单刃铣刀铣削效率低加工性能不好，实际中常用的是双刃和四刃铣刀。四刃铣刀和双 刃铣刀的加工原理基本相同，因此本章主要以双刃铣刀为研究对象建立仿真系统。图2 2 中为了使图面简洁，仅画出了一个球形刃。 8 w v ，一、 却侧 ”0 i? 一飞 渺 一7 一 、认 p o 。v 厂 、 0 1 j j 乡j 面 w v ? c 历侧9 礤警 n 骡螺二穿逐 p a 。 。v 丘 、如 斌一 一 ( a ) 平面刃铣刀( b ) 螺旋刃铣刀 图2 2 球头铣刀的刀具坐标系 f i g 2 - 2 t o o lc o o r d i n a t es y s t e mf o rt h eb a l le n dm i l l i n gc u t t e r ， 当球形刃为平面刃时，如图2 - 2 ( a ) 所示平面刃上任意点p 的坐标值由式( 2 3 ) 给出 当球形刃为螺旋刃时，如图所示螺旋刃上任意点p 的坐标值由式( 2 4 ) 表示 当刃口曲线与经线成定螺旋角 ，时【1 引，妒应满足式( 2 5 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 妒= t a n ) ，i n ( c o t a 2 ) ( 2 5 ) 所以螺旋刃上任意点p 的坐标值由式( 2 6 ) 给出 阻- r s i n ac o s t a nyi n ( c o t a 2 ) 】 v - r s i n as i n t a n ，i n ( c o t a 2 ) ( 2 6 ) 【wi n - - r c o s 口 式中，0 ，w ) 为刀具坐标系下点p 的坐标，口为刀刃上p 点的位置角，r 为刀具半 9 a 口 n c 趴 r r 0 一 i i i “ y w 删嘶口 口 口 宝虹幽r 尺尺 一 i i - ， w 、 西安理工大学硕士学位论文 仍。表示，所以，第f 次进给、第j 刃的相位角可用式( 2 7 ) 表达。 仍，一仍，1 + 2 , r ( j 一1 ) f ：一耐 ( 2 7 ) 式中，为刀具的角速度，l 为刀具的齿数，t o t 为当前时刻f 主轴转过的角度。注意， 由于任一个刀刃当前的姿态都可以看作是由第一个刀刃绕矽轴旋转吼，而来的，故在 刀具运动过程中刀具坐标系下各f j , ) j 上任一点p 的坐标值，v ，) 可用式( 2 8 ) 表达： 刚翠辜哪 亿8 ， 式中， ，为第一个刀刃上任一点的坐标，仍，为当前时刻相位角。 2 3 2 工件坐标系下刀刃的数学建模 a 刀具的倾斜方向和倾斜角度 圆周铣削有逆铣和顺铣两种方式。铣削时铣刀每一齿在工件切入处的切削速度y 方向 与工件进给速度，相反( 工件进给，刀具回转) ，这种铣削方式称为逆铣1 3 2 1 。如果方向相同， 则称为顺铣。把这个概念引用到球头铣刀铣削中，根据球头铣刀的倾斜方向和倾斜角度， 将球头铣刀铣削方式分成四种：顺铣、逆铣、推铣和拉铣【1 9 1 。 在研究铣削表面几何形貌时，定义如图2 3 所示的工件坐标系仉一x y z 和刀具坐标系 q u v w ，其中这四种铣削方式下的刀具坐标系o 。一x y z ，可以看作是将工件坐标系 d r u v w 沿z 轴方向移动刀具半径r 后，再将刀具轴分别绕x 轴正方向、x 轴负方向、】， 轴正方向、】，轴负方向旋转倾斜角卢得到的。球头铣刀的切削过程为：刀具一边绕轴 做旋转主运动，一边沿y 轴方向进给，之后再在x 轴方向上作间歇进给。图2 3 所示的4 种切削方式，即推铣m 、拉铣( l ) 、顺铣( s ) 和逆铣方式下将刀刃方程由刀具坐标系变 换成工件坐标系的旋转变换矩阵分别为： 1 0 第二章铣削表面微观几何形貌仿真系统建模 已加工表面 未加工表面 t r = t l = t s = t = 1oo 0 c o s # 一s i n 0 s i n c o s # 。1oo 0 c o s # s i n 0 一s i n 卢c o s # c o s # 0s i n0 o 1 o s i nb0 c o s # c o s # 0 一s i n j 0 1o s i n90 c o s # 已加工表面 间歇进给方向