硕士论文答辩报告_胡兴中

数控铣削加工刀具变形及工件表面形貌建模与仿真研究,姓 名： 胡 兴 中 学 号： SY0607105 指导教师： 刘 强 教授,论文的研究背景及现状立铣加工切削力及刀具变形模型铣削加工工件表面形貌建模与仿真数控铣削加工动力学仿真系统软件开发仿真系统实验验证及工程应用结论及展望,论文主要内容,1.1课题来源,国防科技工业千台数控机床增效工程数控机床增效关键使能技术工程化研究与应用（项目编号：B2120061326）,1.2 国内外研究现状,几何仿真 国外在这方面的成果比较丰硕，开发了一系列商用CAM软件， 如UG、VERICUT、CATIA等,表面形貌仿真 数控铣削加工过程中，表面形貌的形成机理比较复杂且影响因素很多， 还没较成熟、可靠的仿真软件。目前，国内外学者主要是针对表面形貌 的仿真算法进行深入的研究和简单的应用。,物理仿真 国外一些知名大学和公司先后开发了针 对切削加工过程的物理仿真分析软件， 具有代表性的是加拿大的Cutpro,美国的 AdvantEdge FEM等,不足之处几何仿真与物理仿真系统独立发展工件表面形貌仿真模型中没有考虑切削力、刀具变形等物理因素的影响,论文的研究背景及现状立铣加工切削力及刀具变形模型铣削加工工件表面形貌建模与仿真数控铣削加工动力学仿真系统软件开发仿真系统实验验证及工程应用结论及展望,2.1 铣削力模型 2.2 刀具静态变形模型,2.1 铣削力模型,目前铣削力模型有多种，较常用的是瞬时刚性力模型，它可以较为 准确地对加工过程中任意时刻铣削力的大小和方向进行预测。,微元三向铣削力,坐标变换,叠加求和,瞬时切屑厚度,螺旋滞后角,瞬时切削角,切削条件判断,2.2 刀具静态变形模型,在刀具变形分析中，一般将刀具简化为悬臂梁结构，作用在刀具x、y方向的切削力使刀具产生弯曲变形，其计算方法如下：,第m个微元产生的Y向切削力,第m个微元上的切削力在zk处产生的y向变形,变形叠加及应力计算,论文的研究背景及现状立铣加工切削力及刀具变形模型铣削加工工件表面形貌建模与仿真数控铣削加工动力学仿真系统软件开发仿真系统实验验证及工程应用结论及展望,3.1 周铣加工工件表面形貌仿真3.2 球头刀铣削工件表面形貌仿真,3.1 周铣加工工件表面形貌仿真,刀齿运动轨迹,工件表面形貌仿真基本思想 工件z-map模型 切削刃的运动轨迹时域离散 网格坐标比较,周铣表面形貌仿真思想 零件的侧面是由立铣刀的圆周面加工而成的，因此称为周铣。,刀具工件模型,刀具切削刃运动轨迹建模,铣刀切削工件时，每个刀齿的运动由沿进给方向的水平运动和绕刀具中心的旋转运动合成，其运动轨迹是一个余摆线，如图。,切削刃点参数方程,坐标变换,刀具变形,刀齿偏心,切削刃轨迹方程,坐标系建立,仿真流程图,在每一个时间步长ti-1,ti内，切削刃点在等分平面内划出一段平面曲线，它在工件上的投影近似为直线段AA，通过轨迹方程求得两个端点的坐标。通过线性插值来计算AA内网格点的y坐标，如果计算的结果小于现有数据，更新网格数据。,仿真算例,工件表面形貌,刀具变形,3.2球头刀铣削工件表面形貌仿真,刀刃运动轨迹数学建模,建立三套坐标系，通过坐标变换得到刀刃点的运动轨迹方程,刀具局部坐标系 OTXTYTZT 加工坐标系OLXLYLZL 工件坐标系OPXPYPZP,坐标变换,坐标变换,切削刃点参数方程,切削刃点运动轨迹方程,离散刀具轨迹下工件网格点判断,工件z-map模型,离散时刻点切削刃轨迹边界方程,直线方程,判断条件,对应于网格点(x，y)处的刀具切削刃扫掠高度值,考虑刀具偏心,由于刀具偏心产生的刀具中心位移量为：,考虑刀具变形,平面合力,刀具变形,摆角变化,切削刃轨迹,仿真流程及仿真算例,工件表面形貌仿真结果（Ra=0.638m）,与周铣仿真的主要不同之处,论文主要内容,论文的研究背景及现状立铣加工切削力及刀具变形模型铣削加工工件表面形貌建模与仿真数控铣削加工动力学仿真系统软件开发仿真系统实验验证及工程应用结论及展望,数控铣削加工刀具变形及工件表面形貌仿真软件开发,数控铣削加工动力学仿真软件开发,基于VC6.0，在实验室现有仿真系统基础上，开发了新版本的数控铣削加工动力学仿真软件SimuCut V1.2.2,系统原有模块功能完善,SimuCut V1.0,SimuCut V1.2.2,表面形貌仿真等新模块的开发,论文的研究背景及现状立铣加工切削力及刀具变形模型铣削加工工件表面形貌建模与仿真数控铣削加工动力学仿真系统软件开发仿真系统实验验证及工程应用结论及展望,5.1 仿真系统实验验证5.2 仿真分析5.3 工程应用,刀具变形仿真结果软件对比,在铣削加工过程中，刀具的变形量在现有实验条件下无法直接测得，因此对刀具变形的仿真结果进行了软件验证。仿真对比软件为CutPro 8.0，该软件是目前较为先进和全面的加工动力学仿真软件。,仿真对比使用的刀具和切削工艺参数见表3和表4，工件材料为铝合金7075-T6，其切削力系数：Ktc= 796.1 N/mm2，Krc= 168.9N/mm2，Kac= 222.0 N/mm2，Kte = 27.7N/mm，Kre = 30.8 N/mm，Kae = 1.4 N/mm。,Cutpro,本文算法,对比结论通过上述四组对比可以看出，在不同切削条件下，刀具变形量的仿真结果与CutPro基本相同另外，下一节周铣加工表面形貌的实验验证结果，也能够间接验证刀具变形的仿真结果,周铣加工表面形貌仿真实验验证,机床：立式加工中心VMC0850B仪器：显微镜15JE，Taylor-hobson表面轮廓仪，千分表工件材料：铝合金7050,周铣加工工件表面形貌仿真刀具参数,周铣加工工件表面形貌仿真实验对比一,周铣加工工件表面形貌仿真实验对比二,实验结论表面形貌的仿真图形与实测结果基本一致，工件表面轮廓变化周期基本相同，其轮廓幅值和表面粗糙度值的仿真结果与实测值的差别不超过10%，证明了算法的可行性。通过Z向轮廓高度的仿真与实验对比，间接地验证了刀具变形仿真结果的正确性。,球头刀铣削工件表面形貌仿真对比,球头铣刀加工表面形貌仿真实验所用机床及测量仪器与周铣完全相同，刀具及工艺参数见下表：,球头刀加工工件表面形貌仿真刀具参数表,球头刀加工工件表面形貌仿真切削参数表,工件表面形貌仿真三维图形,工件表面形貌显微照片,工件表面形貌平面投影,仿真对比一,仿真对比二,工件表面形貌仿真三维图形,工件表面形貌平面投影,工件表面形貌显微照片,表面粗糙度实验与仿真结果对比,表面粗糙度仿真实验参数,实验结论工件表面形貌仿真结果与实验结果吻合较好，能够非常明显地反映出X和Y两个方向的工件表面残留高度。工件表面粗糙度值仿真和实验的变化规律基本一致，但在数值上还存在一定的误差。误差产生的主要原因是：刀具工件材料的粘性、刀具的磨损、刀具切削刃几何模型简化及测量误差等。,数控铣削加工刀具变形及工件表面形貌仿真分析,刀具变形仿真分析,刀具安装悬长对变形的影响,每齿进给量对刀具变形的影响,刀尖点变形量与刀具安装悬长的三次方成正比 刀具变形基本随每齿进给量成线性变化 同理，可以分析切宽和切深对刀具变形的影响,周铣加工表面形貌仿真分析,刀具变形影响,0.025mm,0.032mm,刀具的Y向变形量并不是完全复印在工件的表面形貌上,刀具偏心影响,表面形貌出现较明显的差异，在靠近刀尖的一侧轮廓间距较小并且比较平坦，其表面粗糙度值要小于另一端,每齿进给量对表面粗糙度的影响,切宽对表面粗糙度的影响,切深对表面粗糙度的影响,工艺参数对表面粗糙度的影响分析,球头刀铣削工件表面形貌仿真分析,fz=0.1,fz=0.2,fz=0.3,fz=0.5,每齿进给量对工件表面形貌的影响,在每齿进给量较小的情况下，间歇进给残留物对工件的表面形貌起主导作用。但在每齿进给量较大时，进给残留物对工件表面形貌的影响更为重要。,径向切宽对工件表面形貌的影响,ae=0.5,ae=1.0,ae=1.5,ae=2.0,从上述仿真结果可以看出，随着径向切宽的增加，工件的表面形貌发生明显的变化，表面残留高度迅速增大。,综合上述仿真结果可知：径向切宽和每齿进给量是影响球头刀加工工件表面形貌的两个重要因素，合理选择这两个参数及它们的比值，能够有效的提高球头刀铣削工件的表面精度。,5.3 仿真系统工程应用,仿真系统及参数优化方法在30多家国防企业中成功应用,优化目标：,约束条件：,通过动力学仿真系统获得,基于数控铣削动力学仿真系统的工艺参数优化,最大材料去除速率MRR,典型应用实例：某军工企业的Zimmerman FZ35龙门加工中心、Hermle C1200U立式加工中心及DMU125p五轴加工中心,优化前后参数对比,总 结,在铣削加工过程瞬时刚性力模型的基础之上，建立了刀具变形的仿真模型。 基于工件的z-map模型，建立了考虑刀具变形等因素的周铣和球头刀铣削加工工件表面形貌仿真模型，初步实现了数控铣削加工几何仿真和物理仿真的有机结合。研究了工艺参数等切削条件对刀具变形及工件表面形貌的影响，为工艺参数的优化提供了必要的理论依据。仿真分析结果表明，在周铣加工中，每齿进给量、刀具安装悬长及刀具偏心量对工件的表面形貌影响较大；而在球头刀铣削加工中，影响工