（航空宇航制造工程专业论文）钛合金铣削表面粗糙度预测建模.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g p r e d i c t i o nm o d e l l i n go fs u r f a c er o u g h n e s so f t ia l l o ym i l l i n g a t h e s i si n a e r o n a u t i c a la n da s t r o n a u t i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b y c h uc h e n g l o n g a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f l i uc h a n g y i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：兰鱼盛型 日期：竺! 里：墨 南京航卒航天大学硕士学位论文 摘要 表面粗糙度是衡量已加工表面质量的重要指标之一，通过建模预测粗糙度，可以为优化铣 削参数提供依据，在实际加工前准确地预测工件的表面粗糙度，以提高产品的表面质量、节约 生产成本。本文通过建立铣削表面粗糙度预测几何模型、b p 网络模型、回归分析模型，并对钛 合金t c 4 的铣削表面粗糙度进行了铣削试验研究，通过给定加工参数预测得出表面粗糙度，与 试验数据对比分析。论文主要研究工作如下： 1 、综合考虑了铣刀的倾斜方向、倾斜角度、进给方式、主轴的回转偏心、轴向窜动等因素 对加工表面的影响，以球头刀为例，运用坐标变换原理和矩阵运算法则，推导了球头铣刀多轴 铣削过程中切削刃上任意点在工件坐标系的轨迹方程，以此建立了表面粗糙度的几何模型。 2 、以切削速度、进给量、径向切深三因素为变量，采用神经网络和回归分析法建立了表面 粗糙度预测的经验模型。经验证，神经网络预测模型和回归分析模型预测精度高，泛化能力强， 可以用于预测铣削参数对已加工表面粗糙度的影响，揭示已加工表面质量随铣削参数的变化规 律，为切削参数的优选和表面质量控制提供依据。 3 、对钛合金t c a 进行了三因素三水平正交铣削试验，并对试验结果进行了极差分析，为 预测模型提供训练样本，同时，对所研究的模型可行性和准确性进行了对比分析。 本文建立的粗糙度模型，经过试验数据验证，预测精度高，预测结果能够满足实际加工误 差要求。 关键词：钛合金，铣削，表面粗糙度，几何模型，神经网络，回归分析，正交试验 钛合金铣削表面粗糙度预测 a b s t r a c t s u r f a c er o u g h n e s si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a r g e t sm e a s u r i n gq u a l i t yo fm a c h i n e ds u r f a c e t h em a c h i n i n gd a t ac a l lb eo p t i o n o dt h r o u g hp r e d i c t i n gs u r f a c er o u g h n e s s ，s oa st oi n c r e a s el a b o r p r o d u c t i v i t ya n dc o n s u m ec o s ta n di n d u c el a b o r i n gi n t e n s i t yb e f o r er e a lm a c h i n i n g g e o m e t r i cm o d e l a n dr e g r e s s i o n a n a l y s i sa n dn e u r a ln e t w o r ks u r f a c em e t h o d o l o g yw e r e e s t a b l i s h 1 1 舱s u r f a c e r o u g h n e s so ft i t a n i u ma l l o yt c 4m i l l i n ge x p e r i m e n t sw e l ei n v e s t i g a t e d ，c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o n r e s u l t s 、i mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a l s os t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fc u t t i n ge d g es h a p e ，t o o l t i t l i n gd i r e c t i o n ，t i t l i n ga n g l e ，f e e d i n gm o d e ， r u n - o u to fs p i n d l ea n dp e r i o d i ca x i a ls l i p ，e t c o nm a c h i n e ds u r f a c er o u g h n e s si nt h ec a s eo fb a l l - e n d m i l lm a c h i n i n g a p p l y i n gt h ec o o r d i n a t et r a n s i t i o np r i n c i p l ea n dm a t r i xc a l c u l a t i o nr u l et h et r a c k f u n c t i o no fa n yp o i n ti nw o r k s p i e c ec o o r d i n a t ei ss e tu pd u r i n gm i l l i n gp r o c e d u r eo fm u l t i a x i sa b o u t s p h e r i c a l s h a p e dm i l l i n g c u t t e r c o n s i d e r i n gc u t t i n gs p e e da n df e e dr a t e sa n dr a d i a ld e p t h - o f - c u t ，r e g r e s s i o na n a l y s i sa n dn e u r a l n e t w o r ks u r f a c em e t h o d o l o g yw e r ea d o p t e dt ob u i l dap r e d i c t i o nm o d e lo fs u r f a c er o u g h n e s s t h r o u g ht h ev e r i f i c a t i o no ft h eb u i l tp r e d i c t i o nm o d e lo fs u r f a c er o u g h n e s s ，r e s u l ts h o w st h a tt h e p r e d i c t i o na c c u r a c ya n dg e n e r a l i z a t i o no ft h em o d e la r ev e r yh i g ha n dt h em o d e lc a nc o n v e n i e n t a l p r e d i c tt h e e f f e c t so fm i l l i n gp a r a m e t e r so ns u r f a c er o u g h n e s so fm a c h i n e ds u r f a c e ，w h i c hc o n t r i b u t e s t o a c c u r a t e l yu n d e r s t a n dt h ev a r i a t i o nl a wo fq u a l i t y o fm a c h i n e ds u r f a c ef o l l o w i n gm i l l i n g p a r a m e t e r sa n dp r o v i d e s t h ef o u n d a t i o nf o rp r o p e r l ys e l e c t i n gc u r i n gp a r a m e t e r sa n dc o n t r o l l i n g q u a l i t y t h r e ef a c t o r sa n dt h r e el e v e l so r t h o g o n a lm i l l i n ge x p e r i m e n t so ft i t a n i u ma l l o yt c 4w e r er u n ， r a n g eo fm i l l i n gs u r f a c er o u g h n e s se x p e r i m e n t sr e s u l t sw e r eo b t a i n e d a n da l s ot r a i n i n gs a m p l e sw e r e p r o v i d e da n dt oa c c o m p l i s hm o d e l sv e r t i f i c a i t i o n ；m e a n w h i l e ，a n a l y z i n gt h ea c c u r a c ya n df e a s i b i l i t y o ft h ee s t a b l i s h e dm o d e l - c o m p a r i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l st h a t t h em o d e lm e t h o dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r i se f 6 c i e n t k e y w o r d s ：t i t a n i u ma l l o y , m i l l i n g ，s u r f a c er o u g h n e s s ，n e u r a ln e t w o r k , r e g r e s s i o na n a l y s i s ， o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1j ；i 言1 1 2 关于表面粗糙度的研究现状3 1 2 1 国内外对表面粗糙度预测研究的现状3 1 2 2 钛合金铣削表面粗糙度研究现状。4 1 3 表面粗糙度预测存在的问题5 1 4 本文的主要研究工作5 1 5 本文主要内容的安排5 第二章球头铣刀加工残余表面几何模型6 2 1 铣刀的类型及工艺特点。6 2 1 1 广义铣刀几何参数6 2 2 预测模型构成7 2 2 1 球形刃数学模型8 2 2 2 刀具坐标系下刀刃的一般表达式。9 2 2 3 工件坐标系下刀刃的一般表达式。9 2 3t c ll 铣削试验与仿真1 3 2 3 1t c l l 材料参数1 3 2 3 2 仿真算法1 3 2 3 3 仿真算例1 5 2 4 本章小结1 8 第三章神经网络( b p 网络) 预测模型1 9 3 1b p 人工神经网络1 9 3 1 1b p 神经网络学习算法。1 9 3 1 2b p 神经网络算法实现2 0 3 1 3b p 神经网络的不足及改进2 l 3 1 4b p 神经网络在高速铣削表面粗糙度预测中的应用2 2 3 2b p 神经网络粗糙度预测模型设计。2 2 3 2 1b p 神经网络层数设计2 2 3 2 2b p 神经网络各层节点数的确定2 2 钛合金铣削表面租糙度预测 3 2 3b p 神经网络传递函数选取2 3 3 3b p 神经网络粗糙度预测模型训练2 4 3 3 1b p 神经网络模型训练样本数据采集2 4 3 3 2 数据预处理2 5 3 3 3 网络训练2 6 3 4b p 神经网络预测模型的确定及数据处理2 8 3 4 1b p 神经网络模型的确定2 8 3 4 2 数据处理以及误差计算。2 8 3 5 本章小结2 9 第四章回归分析模型3 0 4 1 基于回归分析对表面粗糙度预测模型的研究3 0 4 1 1 多元线性回归分析3 0 4 1 2 多元线性回归分析在粗糙度预测中的应用3 5 4 2 粗糙度预测回归模型建立3 5 4 3 表面粗糙度预测模型的显著性检验3 8 4 3 1 表面粗糙度预测模型的显著性检验3 8 4 3 2 表面粗糙度预测模型回归系数显著性检验4 3 4 3 3 回归分析模型预测结果的试验验证4 4 4 4 本章小结4 5 第五章表面粗糙度预测实例验证4 6 5 1 钛合金高速铣削试验方案4 6 5 1 1 工件材料4 6 5 1 2 试验仪器。4 6 5 1 3t c 4 试验方案4 7 5 2 铣削表面粗糙度试验与建模预测结果的对比分析4 9 5 3 本章小结5 0 第六章总结与展望一5 l 6 1 总结5 l 6 2 展望5l 参考文献一5 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1 铣刀通用几何模型7 图2 2 实例后的刀具形状7 图2 3 球头铣刀及刀具坐标系：8 图2 4 顺铣加工示意图1 0 图2 5 刀具的进给方式1 1 图2 6 主轴纯径向窜动误差1 1 图2 7 主轴纯轴向窜动误差。1 l 图2 8 主轴纯角度摆动。1 2 图2 9 保留切削刃最低点算法示意图一1 4 图2 1 0 仿真算法流程图1 5 图2 11 三维仿真图( 旋转后截取部分) l6 图2 1 2 粗糙度截面图( 矩阵日第1 8 0 列1 到1 0 0 0 行元素) 1 6 图2 1 3 ( 主轴转速甩= 1 3 9 3 r m i n ，其他条件不变) 1 7 图2 1 4 ( 主轴转速n = 1 9 8 9 r m i n ，其他条件不变) 1 7 图3 1 三层b p 神经网络1 9 图3 2b p 算法流程2l 图3 3 网络训练流程图2 7 图3 4 数据预处理( 归一化) 一2 7 图3 5 网络训练一2 7 图3 6m a t l a b 网络模型图2 8 图3 7 相对误差逼近曲线2 8 图4 1 回归残差图4 0 图4 2 剔除异常点后回归残差图4 3 图5 1m i k r o nu p c 7 1 0 五轴联动加工中心。4 7 图5 2 单因素对铣削表面粗糙度的影响4 9 表1 1 四类典型钛合金及特点l v ：! ：i 1 ：； 1 ：； 1 ：； 1 7 2 z i ：! z l ：! ! ； ：! ! i ：1 6 ：1 8 ：1 9 3 7 4 4 4 6 4 6 4 6 4 6 4 7 4 8 4 8 4 9 ! ；( ) 南京航空航天大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 以钛为基加入其他合金元素组成的合金称作钛合金。钛合金是一种新型结构材料，它具有优 异的综合性能，如密度小( 4 5g c m 3 ) ，比强度和比断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好， 低温韧性良好，抗蚀性能优异，某些钛合金的最高工作温度为5 5 0 。c ，预期可达7 0 0 。c 。因此它在 航空、航天、化工、造船等工业部门获得日益广泛的应用，发展迅猛【啦翔。钛合金可以分为口、 o f + 户、型合金及钛铝金属间化合物( 删，此处x = l 或3 ) 四类嗍。下表列出了四类典型钛 合金及特剧5 1 。 表1 1 四类典型钛合金及特点 类别 典型合金 特点 t i 5 a l - 2 5 s n 强韧性一般，焊接性能好 口 t i - 6 a 1 2 s n - 4 z r 2 m o 抗氧化强，蠕变强度较高 t i 6 a l - 4 v 强韧性中上，可热化处理强，可焊 仪七b t i 6 a 1 2 s n 一4 z r - 6 m o疲劳性能好 t i 1 3 v 1 1 c r - 3 灿强度高，热处理强化能力强 8 s p 7 0 0 可锻性及冷成型性能好 t i 15 v a - 3 c r 3 a 1 3 n i可适用多种焊接方式 t i x a l t i 3 a l ( t 卫2 ) 使用温度渴望达到9 0 0 度，但室温塑韧性差 钛合金的比强高于其他轻金属、钢和镍合金，并且这一优势可以保持到5 0 0 。c 左右，因此某 些钛合金适于制造燃气轮机部件。钛产量中约6 0 用于航空和宇航工业。例如美国的b 1 轰炸机 的机体结构材料中，钛合金约占2 1 ，主要用于制造机身、机翼、蒙皮和承力构件。f - 1 5 战斗机 的机体结构材料，钛合金用量达7 0 0 0 k g ，约占结构重量的3 4 。波音7 5 7 客机的结构件，钛合 金约占5 ，用量达3 6 4 0 蚝。麦克唐纳道格拉斯( m c d o n n e l l - d o u n l a s ) 公司生产的d c i o 飞机， 钛合金用量达5 5 0 0 k g ，占结构重量的1 0 以上。在化学和一般工程领域的钛用量：美国约占其产 量的1 5 ，欧洲约占4 0 【5 一。 除了广泛用于航空航天和军事领域外，由于具有优良的耐蚀性，钛合金还在航海、能源、化 工和汽车工业中得到大量的应用，例如用于制造推进器、泵、阀门和管材等在腐蚀性环境中工作 的零部件b 蚋。另外，钛合金在汽车工业中以及诸如医疗器械、体育器械等日常生活领域中也得到 了越来越广泛的应用。 由于钛合金属难加工材料，切削加工性较差，一般情况下钛合金的加工成本要比原材料成本 高出很多，在一定程度上限制了其进一步推广和使用。目前绝大部分钛合金零件还是通过切、磨 削工艺来生产，其中主要以车削、铣削等加工方式去除多余材料。钛合金难切削因素1 9 】见表1 2 。 钛合金铣削表面粗糙度预测 这些因素势必对零件已加工表面完整性造成不利影响，从而影响到钛合金构件的性能。 表1 2 钛合金难切削因素分析 因素 说明 由于切屑严重卷曲而造成切削压力很高，同时钛合金的导热系 数特别小，仅为4 5 钢的l 6 1 7 ，而且密度低，比热小，结果使刀 切屑严重卷曲与导热性差 尖温很高，切削热量集中在切削刃附近，同时切削热又不能很快传 出，刃区温度极高，刀具磨损迅速。 由于钛是化学活性高的金属，因此钛合金的切屑在空气中的氧 和氮作用下，会形成硬脆的化合物，使切屑成短碎片状，因而刀一 刀屑接触长度短 屑接触长度很短，切削力和切削热集中在切削刃附近。刀具容易崩 刃。 在切削中会与被加工的钛合金材料发生亲和作用，而易于粘掉 与刀具材料的化学亲和力大 刀尖或容易崩刃。 约为4 5 钢的弹性模量的1 2 ，故后刀面处的工件弹性恢复大， 弹性模量小，钛屑易燃，刀 摩擦严重。同时工件容易发生装卡变形。 在高温下( 6 0 0 c ) 钛屑容易燃烧。 具单位面积承受压力大。 在钛合金加工中，刀具单位面积所承受的压力要比加工4 5 钢材 大得多。 表面冷作硬化现象严重，对 由于缺乏一套最完整而科学的加工方法，同时其加上表回极易 应力的集中具有高度的敏感产生冷作硬化现象，钛合金对应力集中又极敏感，所以在加工过程 性。中不能有碰伤划伤现象存在。 在数控加工中，表面粗糙度是衡量已加工表面质量的重要指标之一它是衡量已加工零件表 面质量的重要方面。在数控加工过程中，机床误差、刀具误差、各种变形误差等误差以及工艺参 数都会影响表面粗糙度。在现代先进制造技术中，为了提高生产效率，获得较高的加工精度和较 好的表面完整性，关键的一步就是在实际加工之前评判加工参数的合理性和对零件加工质量进行 合理预测。 目前影响已加工表面粗糙度的因素可分成两种1 0 1 ：几何因素和物理因素。一般说来，物理因 素包括：积屑瘤、鳞刺、振动、切削刃的刃磨质量、工件材料组织的缺陷、切削液的使用情况等； 几何因素主要是切削刃与工件相对运动轨迹形成的表面粗糙度，通常与刀具及加工参数有关。高 速加工中，积屑瘤和鳞刺几乎不存在，因此刀具几何参数、切削用量等因素将成为影响被加工表 面粗糙度的主要因素，这样从理论上进行被加工表面几何形貌仿真具有现实意义【l i 】。切削加工的 表面形貌与工件的表面粗糙度有密切联系，在研究各种因素影响已加工表面粗糙度的规律之前， 应该首先深入研究表面形貌的形成机理。随着数控加工工艺水平的提高，对零件的表面质量提出 了越来越高的要求，通过仿真对加工质量进行预测，就可以在加工之前得到合理的最优化的加工 工艺参数，还可以对刀具寿命进行预测，既可提高生产率，又保证了零件的加工质量。通过仿真 系统的建立，在实际加工之前对加工精度进行预测，给出满足加工要求的误差补偿方法，设计出 合理的切削工艺方案，用于指导实际生产。因此进行加工精度和表面粗糙度的预测已成为国内外 学者研究的热点。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 关于表面粗糙度的研究现状 表面粗糙度是衡量切削加工过程性能和评定零件表面质量的一个重要指标，在目前关于表面 粗糙度预测研究的文献1 2 1 报道中，国内外对表面粗糙度预测及预测方法的研究十分活跃。从查阅 的文献资料来看，预测表面粗糙度的模型和方法有很多，但总的来说，可分为基于加工理论、试 验研究、设计试验和人工智能四大类1 3 1 。 表1 3 表面粗糙度分析方法 分类内容及特点 应用 理论模型：以刀具几何参数、部分切削参数可以进行定量计算，但与实际 为主要变量，没有考虑切削过程的影响。测得值相差较大。 建模方法 经验模型：试验+ 回归分析给定切削条件适用 智能预测模型：( 人工神经网络、模糊逻辑 用统计方法建立参数或非参数 控制等) ，需要大量的试验数据作为分析的化模型，预测精度与试验方法、 基础。次数有关。可用于多变量分析。 数据处理方 回归分析法：建立多项式模型； 响应曲面分析法： 用于多因素分析 法 t a g u c h i 分析法：建立正交设计矩阵； 1 2 1 国内外对表面粗糙度预测研究的现状 d a e k y u n b a e k 等【1 4 】提出了用于平面铣削加工的表面粗糙度模型，此模型考虑进了刀齿的表面 轮廓和磨损产生的误差，应用二分法解决在给定的表面粗糙度限制下最大材料切除速度的优化问 题( 表面粗糙度和进给量是非线性关系) 。但是，其工作是在假设“机床一刀具”系统是线性的， 只考虑了位移的自由度问题，与实际的加工过程不相符。j c c h e n 等1 1 5 1 在端铣加工过程中利用基 于神经网络的表面粗糙度预测系统。基于加工理论的研究主要是预测零件加工表面形貌的生成， 通过解析刀具切削刃几何形状对表面残留高度的生成机理，来预测其中所含面粗糙度信息。 v i z u g a k i 等【1 6 1 利用几何仿真，基于切削刃运动和刀具方向，研究了球头刀铣削加工中已加工表面 轮廓的理论估计。z h a o 等1 7 , 1 8 , 1 9 人利用z - m a p 仿真解析了多轴铣削加工中刀具前角对精加工表面 粗糙度和纹理的影响，并在其研究中提出了用于单向和双向进给加工的最适宜的和临界前角的概 念。 加工表面形貌是在刀具切削刃与工件的相对运动的作用下，最终残留在工件表面上的痕迹。 对于表面粗糙度预测目前集中于动态切削表面的形成分析上，根据切削刃的几何形状和刀具与工 件的相对运动即进给运动来分析工件的表面形貌，最终达到对表面粗糙度预测的目的。在国内开 始了关于仿真零件加工表面形貌的相关研究。由于球头铣刀的刃形较复杂，具有变切削半径和交 螺旋角等特点，而且球头铣刀铣削的动态特性也比较复杂，所以，它形成的表面形貌是大家所关 注的。 阎兵等 2 0 1 人在球头刀动态铣削过程的基础上，基于广义加工表面创成模型、球头铣刀刃线模 3 钛合金铣削表面粗糙度预测 型和铣削运动模型，建立了球头刀铣削的表面创成模型和表面形貌仿真算法，该模型具有良好的 可扩充性，能够容纳更复杂的运动方式和更多的引起加工误差的因素。杨国艳等 2 h 通过理论解析 的方法，讨论了使用球头铣刀的垂直加工中进给量和走刀行距对表面粗糙度的影响，给出了表面 粗糙度的计算公式，并提出了通过改变进给间隔和进给量，提高加工效率而不增大表面粗糙度的 加工方法。赵小明掣2 2 1 的五坐标数控加工中工件表面形貌的计算机仿真，对五坐标数控加工中工 件表面形貌的计算机仿真进行了研究，主要探讨了切削中刀具的倾斜方向、倾斜角度、进给方式、 主轴的回转偏心、轴向窜动等因素对刀刃数学模型的影响，并且开发出了球头铣刀在精加工时表 面微观形貌的计算机仿真系统。曲云霞、徐安平等1 2 3 】在分析影响加工表面形貌诸多因素的基础上， 首先提出一种广义的铣削加工表面创成模型：然后运用图形矩阵变换原理和矢量运算法则，导出 刀具切削刃上任意切削点相对于工件实际运动的轨迹方程；最后，构造出一种高效的三维表面形 貌仿真算法。 针对以上几种模型，虽然它们对各自条件下得出的结论与试验结果都很接近。但是，由于他 们所考虑的因素不同、针对不同的加工方法、所用的数学和物理方法不同，所以他们所建立的仿 真模型和使用范围也是不同的。总之，在这个领域的技术还不是很成熟，特别是在国内，对表面 粗糙度预测仿真还是比较少的。 1 2 2 钛合金铣削表面粗糙度研究现状 钛合金在高温条件下具有活性大、导熟系数小、弹性模量小等特性，使其切削加工性很差， 具体表现为切削力大、切削温度高、加工硬化倾向大以及刀具磨损严重等，这些因素对零件已加 工表面的完整性造成不利影响，并且会降低钛合金的加工效率，导致钛合金的加工速度一般都被 限制。高速切削由于具有高效率、高精度、高表面质量和可加工高硬材料等优点，得到了越来越 广泛的应用，但是国内外对钛合金的高速切削研究还不够深入和系统。史兴宽【2 4 】等比较了钛合金 t c 4 在高速切削与常规切削参数条件下的加工表面完整性，结果表明高速铣削在提高制造效率和 改善表面质量上都是有益的。v e - l d s q u e z 【2 5 2 6 1 研究了高速车削t c 4 的表面完整性，采用扫描电镜 对材料的微观组织结构进行测试，发现在已加工表面下几微米的深度里存在严重的晶粒变形梯度； 采用x 射线衍射方法对获得表面进行了检测，根据对波峰形状的测试，反映出在已加工表面下存 在严重的塑性变形；没有发现相变以及白层。m a n t l e l 2 7 】对于高速铣削y - t i 灿合金表面完整性的研 究，可以得出其表面粗糙度r a 都低于1 5l j1 1 1 ，显微硬度分布表明硬化层深度达到3 0 0um ，表面 具有残余压应力且大于5 0 0 m p a ，后刀面磨损和切削速度对残余应力影响最大。杜随更等【2 8 】研究 发现在平底刀铣削t c 4 钛合金时，当切削速度由1 1 3 r n m i n 增大到3 7 7 m r a i n 时，表面质量越来越 好。但这些研究普遍存在以下问题：切削参数范围较窄，没有达到很高的切削速度；没有对高速 切削参数对表面粗糙度的影响进行比较系统的分析和研究。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 表面粗糙度预测存在的问题 由于机械加工仿真还处于发展阶段，尽管前人在铣削加工过程表面粗糙度预测方面作了大量 的研究工作，并且获得很多成果。但是该领域涉及技术广泛，分领域很多。因此要建立精度高， 适用范围较广的表面粗糙度预测模型仍有许多问题有待解决，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 力n - r 过程理想化，与实际加工过程差距较大。虽然许多研究学者提出了球头刀铣削表面粗 糙度模型，但均存在不足之处，具体表现在考虑铣刀加工因素不全面、试验量大、实用性 差或预测精度不高等。 ( 2 ) 多数预测模型只是基于理想的几何体和理想的切削状态，没有全面考虑刀具( 切削部分的) 几何形状工艺参数等对加工表面粗糙度的最终影响。 ( 3 ) 钛合金等难加工材料加工粗糙度预测研究还不成熟。 1 4 本文的主要研究工作 本文着重建立粗糙度的预测模型，主要考虑每齿进给率、切削速度( 主轴转速) 和径向切深 对表面粗糙度的影响，并将预测结果和试验结果做对比，验证预测模型的可行性。 综合考虑了铣刀的倾斜方向、倾斜角度、进给方式、主轴的回转偏心、轴向窜动等因素对加 工表面的影响，以球头刀为例，运用坐标变换原理和矩阵运算法则，推导了球头铣刀多轴铣削过 程中切削刃上任意点在工件坐标系的轨迹方程，建立了表面粗糙度的数学模型。 以切削速度、进给量、径向切深三因素为变量，采用神经网络和回归分析法建立了表面粗糙 度预测的经验模型。对钛合金t c 4 进行了三因素三水平正交铣削试验，并得到了试验铣削粗糙度 结果的极差；验证建立模型的可行性。 1 5 本文主要内容的安排 第一章绪论。综述了钛合金的特点及其在军民两方面的广泛用途，分析钛合金难加工的原因； 综述了当前国内外关于数控加工表面粗糙度预测方法的研究现状，分析了现有方法和预测模型的 优缺点，提出了本文的研究方案。 第二章球头铣刀加工残余表面几何模型。讨论了球头铣刀刀刃的形状及数学模型，讨论了切 削中刀具倾斜方向、倾斜角度、进给行距等因素对刀刃数学模型的影响 第三章神经网络( b p 网络) 预测模型。本文采用b p 神经网络算法建立表面粗糙度的神经 网络预测模型，通过高速加工多因素正交试验，为建模提供数据源以及验证样本。 第四章回归分析模型。以切削速度( 或主轴转速) 、进给量、切削深度为主要参数，在机床 特征和刀具几何参数确定的前提下，应用正交回归试验建立表面粗糙度与切削用量之间的指数关 系。 第五章表面粗糙度预测实例验证。结合具体加工实例，对建立的模型预测结果进行验证。 s 钛合金铣削表面粗糙度预测 第二章球头铣刀加工残余表面几何模型 球头铣刀是三维立体轮廓加工特别是自由曲面加工的主要刀具。球头刀的刀具中心轨迹是 由零件轮廓沿其外法线方向偏置一个刀具半径而成，即使在多坐标加工的情况下，除了内凹暗 角，球头刀均可加工。因此球头刀对加工对象的适应能力较强，且编程与使用方便。建立球头 刀铣削加工表面创成模型的首要任务是对球头刀的几何特征进行准确简洁的描述。本章以球头 铣刀切削刃为研究对象，对铣刀的各个几何参数进行描述，并对各个参数的关系进行推导，旨 在建立球头铣刀的刃线几何模型。 2 1 铣刀的类型及工艺特点 2 1 1 广义铣刀几何参数 为了使得刀具的几何模型既能满足自动编程的需要，也能满足铣削加工仿真的需要， s e n 咖和y a l t i r l t a s 2 9 , 3 0 提出了一种适用于任意廓形铣刀的通用数学模型，建立如图2 。l 所示的 广义铣刀的几何参数示意图。铣刀的外形用图中的，；，p ，五，口，六个几何参数定义 其形状。各参数定义如下： ，；：刀具角圆的半径c m m ) ； p ：从角圆的圆心到刀具轴心的径向距离c r a m ) ： 口c 0 ，9 0 。) ； c o ，9 0 。) ： 离c r a m ) ： 南京航空航天大学硕十学位论文 川稠 厂、c一一。一：、 7 ；l j 书 一li， 足y 矗v 刀尖点 图2 1 铣刀通用几何模型 通过改变这些参数，就可以实例化各种常见铣刀。例如：若口= 卢= 0 ，；= 0 ，e 0 ， 为平端立铣刀，如图2 2c a ) 所示；若口= = 0 ，r t 0 ，e = 0 ，为球头铣刀，如图2 2 ( b ) 所示；若口= = 0 ，e = h 0 ， 0 ，为圆环立铣刀，如图2 2 ( c ) 所示；若口 0 ， 0 ， h 0 ，； 0 ，为锥形铣刀，如图2 2 ( d ) 所示。 m mm阳 i i ( a )( m il ( c ) d ) 图2 2 实例后的刀具形状 2 2 预测模型构成 本章建立模型时设定：不考虑刀具的制造误差、磨损、变形及切削过程中的刀具振动； 除主轴的回转偏心和轴向窜动外，机床的其他制造误差不予考虑。在此基础上，讨论各种因 素对工件表面粗糙度的影响，给出了描述工件表面形貌的数学模型。 7 钛合金铣削表面粗糙度预测 2 2 1 球形刃数学模型 球头铣刀的刀刃由侧刃部分和球头刃部分构成。球头铣刀的特征主要集中在球形刃部分， 加工时一般总是利用球形刃部分，所以本文只研究球形刃部分的切削结果。建立图2 3 所示的 球头铣刀刀具坐标系【3 2 】。 | ，k 。 厂、鳓： ： l ， - 铣歹】 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 2 刀具坐标系下刀刃的一般表达式 ( 2 4 ) 刀具上任一刀齿位置均可以由特定的一个刀齿旋转得到，因此，引入相位角概念，便可解 析各刀齿在加工中的位置。球形刃向“1 ，平面投影，刀刃起点处切线方向与u 轴的夹角即为相位 角。第f 次进给、第，刃的相位角为： 嘞+ 等毕一c o t ( 2 - 5 ) jz 式中，仍。为第i 次进给时第1 7 j 在起始位置的相位角：正为刀齿数；国为刀具角速度，t 为从第f 次进给开始至当前位置所经历的时间。 综上，刀刃上任一点p 在刀具坐标系下的坐标值( u ，y ，形) 为： 刖兰攀：剐 “ 1 ， w ( 2 6 ) 在实际加工中，刀具的倾斜方向、倾斜角度、进给方式及主轴的回转偏心、轴向窜动等对 工件表面粗糙度都有影响，本节讨论存在这些影响因素存在时刀刃的表达式。 2 2 3 1 刀具的倾斜方向和倾斜角度 在高速铣削过程中，刀具轴线与工件表面较好的夹角关系对于达到最优的表面质量是至关 重要的。对平面的铣削加工往往使刀具寿命受到很大的影响，因为在切削刃中心点( 刀尖) 部位， 刀具切削速度为零，有效的容屑空间非常小，使在这一点刀具不是切过工件表面而是划过，这 种情况下加工表面质量会不均匀，导致刀具在较短的时间内发生磨损或破损现象。因此经常会 给刀具或工件一个小的转角以避免刀尖直接参与切削：同时，也可以有效的避免了曲面加工过 程中的干涉现象【3 3 】。 刀具的倾斜角度和倾斜方向视铣削加工方式而定。倾斜角度改变了刀刃的坐标定位，图2 4 所示顺铣倾斜角度为时工件坐标系x y z 和刀具坐标系o u v w 关系。刀具坐标系是将工件坐 标系沿z 轴方向移动刀具半