开题报告-数控铣削加工铣削力模型及模拟仿真研究

大学毕业设计开题报告学生姓名学号学院、系专业机械设计制造及其自动化设计题目数控铣削加工铣削力模型及模拟仿真研究指导教师年月日毕业设计开题报告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述文献综述一研究切削力的目的和意义根本目的就在于准确分析加工过程中切削热与切削温度、工件变形及刀具磨损、破损等各种物理现象,以提高夹具、刀具、机床等整个工艺系统的设计精度,为合理制定切削用量、优化刀具几何参数提供重要依据。但是,在制定高速切削加工工艺规程时,切削参数的选用还没有成熟的经验公式、数据可供参考,迫切需要提供实用的参考数据。国内外许多金属切削专家、学者对切削力进行了理论分析和研究13。但要构建贴合实际的切削力模型,往往通过对具体材料的切削试验,进行大量数据分析和观察后,是最有效和可靠的。因此,建立了高速铣削中碳钢的切削力预测模型,以寻找铣削参数对切削力影响的统计规律,实现在切削加工前,进行工艺设计、切削力预测和控制的目的。随着数控加工技术在生产中所占的比例大幅度提高,对数控加工中影响加工的各种因素研究也越来越多。切削力是反映加工过程的一个重要参数之一,切削力的大小与切削过程中所消耗的功率成正比关系，切削力也反映了加工工艺系统的变形，同时，切削力还直接影响切削热的产生,并进一步影响刀具的寿命等，特别对深腔薄壁零件的的变化规律有助于分析切削过程,并且根据切削力的变化规律来提高加工效率,准确分析加工过程中切削热与切削温度、工件变形及刀具磨损、破损等各种物理现象,以提高夹具、刀具、机床等整个工艺系统的设计精度,为合理制定切削用量、优化刀具几何参数提供重要依据。对生产实际有重要的指导意义。二铣刀切削力模型的研究进展1铣削力的经验系数建模经验系数建模是用一组铣削力系数来描述铣削力与切削几何参量的关系。利用不同材质、不同几何参数的刀具,在不同切削条件下对不同材质的工件进行切削试验,获得大量铣削力数据,通过曲线拟合即可确定待定系数。上世纪80年代,对球头铣刀的研究有了一定进展。YUCESAN【45】等基于微分几何理论研究了球头刀刃的几何模型,给出了刀刃微元前、后刀面与切削力相关的各几何向量,局部切削力模型被表示为前、后刀面上正压力与摩擦力的矢量和,建立的表达式系数可根据试验数据用最小二乘法求得。微元切削力DF可表示为式中,DFR为正压力与摩擦力的微元矢量和,DFE为作用于刀刃上的微元耕犁力,DFFN、DFFF分别为后刀面上的微元下压力与微元摩擦力。经验系数法建模必须依赖于大量的铣削试验,对不同条件下的铣削力数据进行识别,它对采用不同刀具或不同加工方式下的铣削力预测能力不强。2铣削力的理论建模铣削力的理论建模是运用剪切角理论和摩擦理论,对斜角切削或正交切削的铣削过程进行分析建模。JAIN等6基于二维坐标系下的切削数据对切削力进行了计算,建立了铣刀的切削力模型。YANG等7首次运用二维坐标系的概念对铣刀进行了研究,将切削刃离散成微小单元,作用于刀具上的总铣削力则等于对所有参与切削的微元切削刃的切削力求和。1994年,FENG89等根据近似的铣刀刃线方程将圆柱铣刀上的螺旋刃投影到半球面上采用幂函数形式的非线性局部铣削力模型,建立了球头铣刀存在偏心和倾斜时的铣削力真模型。1996年,LEE等10的研究采用了球面螺旋线刃线几何模型,并在微切削刃上采用斜角切削模型,他们在研究中考虑了作用于刀刃上的耕犁力,并将切削力沿切削刃分解为微元切削力。但是他们的实验结果仅与一个刀齿的铣刀相符,且模型忽略了后刀面上的作用力。1998年,冯志勇等11提出了广义铣削力模型,但只局限于圆柱螺旋铣刀和圆锥螺旋铣刀的铣削力计算。2004年,GYUMANKIN等12针对球头铣刀提出了一个用切削力图来预测平均切削力的方法。3自动化加工的铣削力建模MMILFELNER等13建立了一个源方程,利用人工智能技术,用直接模拟仿真的方法来预测切削力。该仿真系统可在加工过程自动化或优化的基础上,建立一个智能化模型,来预测球头铣刀在铣削过程中的切削力。该模型主要针对标准零件的生产。三铣削力经验模型的确定在现代金属切削研究领域中，由于切削过程极其复杂，各种切削参数相互间的函数关系式尚不能用理论推导的方法探讨14。我们知道铣削加工有四个基本的参数铣削速度、铣削宽度、铣削深度和进给量。因此在机床特征和刀具几何参数确定的情况下，我们确定基于加工材料的通用铣削力模型的构建形式为式中FR为各向铣削力的总称；CFR为决定于加工材料、铣削条件的系数；AP为铣削深度；V为铣削速度；F为进给量；AW为铣削宽度。由于铣削加工涉及四个铣削参数，因而采用回归正交试验法建立铣削力经验公式属于多因素试验范畴1518。尽管此试验法在切削试验中较为成熟，对于四因素、四水平试验的常系数和指数的求解比较复杂，不适应在工程中推广，为此本文提出了用矩阵简化法1518来求解。四数控仿真技术概念数控加工仿真是虚拟制造的一个重要分支和基础。数控加工仿真是指数控加工过程在虚拟环境中的映射，它是CAD/CAM的重要组成部分，它能有效保证CAD/CAM生成的数控代码的正确性，无过切和碰撞等干涉现象，能有效减少实际数控加工时间，提高生产效率，数控仿真长时间一直与CAD/CAM系统捆绑，没有独立发展空间。然而随着数控加工仿真自身技术的不断发展和完善，随着仿真技术逐渐为人们重视、发展、研究和使用，随着计算机仿真学学科性不断增强，尤其是几何造型平台的出现，数控加工仿真技术具有了独立发展空间。五国内外数控仿真系统的研究现状当前，国内外针对铣削过程模拟已开展了很多研究并取得了实际的意义。例如日本HSASAHARA等应用弹塑性有限元法，在忽略温度和应变速率影响的前提下模拟了加工表面残余应力的分布。美国TALTAN与意大利ECERETTI合作开展了直角与斜角切削过程应力/温度分布的二维和三维有限元分析，并将结果应用于改善实际加工参数。清华大学方刚等通过正切削工艺的二维有限元模拟结果分析了刀具载荷和切削温度场的分布状态。哈尔滨工业大学董丽华对面铣刀切入瞬间应力场进行了有限元模拟，分析切入瞬间的应力场分布。2005年3月份，上海理工大学宣布成立虚拟制造技术研究院。这是继清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室在国内最早开展虚拟制造研究以来又一个成立的进行虚拟制造技术研究的机构。东北大学的王启义、黄雪梅，葛研军等对车削加工系统的物理仿真1922，近几年来,虚拟制造技术也引起我国科技工作者的关注，据不完全统计，目前全国已有三十多家科研机构、高等院校和企业正在开展VM技术方面的研究。国家863/CIMS主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。国家自然科学基金也有专门的研究课题。国内以清华大学、上海交大为主的高等院校正在开展基础技术研究,正处于理论体系初步研究阶段。国内的研究主要集中在四个方面（1）虚拟制造基础研究。虚拟制造涉及的技术领域极其广泛，从产品建模、过程建模、可交换数据模型到分布式仿真、离散事件仿真、面向对象方法、人工智能、虚拟现实及计算机网络技术等等。这些技术构成了虚拟制造的技术基础。清华大学CIMS中心提出了支持虚拟制造的产品元建模方法，为产品生命周期的各阶段分析与评价提供了可供操作的模型支持。（2）产品虚拟设计技术。主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华大学在国家863/CIMS主题重大关键技术攻关项目的支持下，开展了剑杆织机的虚拟产品开发，进行了剑杆织机的三维数字建模及产品性能分析、加工过程仿真、虚拟装配技术等技术的研究与应用，并建立了具有相当共性的支持创新设计的虚拟产品开发环境。（3）产品虚拟加工技术。主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板材成型模拟、模具制造仿真等。清华大学国家CIMS中心开发的加工过程仿真系统作为863/CIMS目标产品已在多个企业得到成功的应用沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件ESRD3D已经应用于水轮发电机变曲面过流部件生产中，其产品在刘家峡、李家峡、天生桥、太平役等7个电站中使用；合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数控程序现场调试时间由几个班缩短到几小时，并保证一次试切成功；北京机床研究所、机械科学研究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位也研制出一些这方面的仿真软件。（4）虚拟制造系统。主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略等。其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。清华大学CIMS工程中心提出了基于产品数据管理PDM集成的虚拟制造体系结构。参考文献1VANLUTTERVELTCA,CHILDSTHC,JAWAHIRIS,ETCPRESENTSITUATIONANDFUTURETRENDSINMODELINGOFMACHININGOPERATIONSJANNCIRP,1998,4725876262艾兴,等高速切削加工技术M北京国防工业出版社,200326763杜树浩,刘勇,许志弘高速铣削加工的数学模型建立和实验研究J机械设计与制造,200941511534GYUCESAN,YALTINTASMECHANICSOFBALLENDMILLINGPRCESSASMEPROCMFGSCIENGNG,PED164,19935435515GYUCESAN,YALTINTASIMPROOVEDMODELLINGOFCUTTINGFORCECOEFFICIENTSINPERIPHERALMILLINGINTJMACHTOOLSMANUF,1994,344734876SJAIN,KCYANGASYSTEMATICFORCEANALYSISOFTHEMILLINGOPERATIONPROCEEDINGSOFASMEWINTERANNUALMEETING,SANFRANCISCO,198955637MYANG,HPARKTHEPREDICTIONOFCUTTINGFORCEINBALLENDMILLINGINTJMACHTOOLSMANUF,1991,3145548HYFENG,CHMENQTHEPREDICTIONOFCUTTINGFORCEINTHEBALLENDMILLINGPROCESS2CUTGEOMETRYANALYSISANDMODELVERIFICATIONINTJMACHTOOLSMANUF,1994,347117199HYFENG,CHMENQAFLEXIBLEBALL2ENDMILLINGSYSTEMMODELFORCUTTINGFORCEANDMACHININGERRORPREDICTIONASMEJOURNALOFMANUFACTURINGSCIENCEANDENGINEERING,1996,11846146910PLEE,YALTINTASPREDICTIONOFBALLENDMILLINGFORCESFROMORTHOGONALCUTTINGDATAINTJMACHTOOLSMANUF,1996,361059107211冯志勇,张大卫,黄田,曾子平一种新型的广义铣削力模型中国机械工程,1998,9414412GYUMANKIN,CHONGNAMCHUMEANCUTTINGFORCEPREDICTIONINBALLENDMILLINGUSINGFORCEMAPMETHODJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY,2004MILFELNER,JKOPAC,FCUS,UZUPERLGENETICEQUATIONFORTHECUTTINGFORCEINBALLENDMILLINGJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY,2005,1641651554156014王树宏预拉伸铝合金厚板初始残余应力测试方法与变形机理的基础研究D南京南京航空航天大学，200615郭魂航空多框整体结构件铣削变形机理与预测分析的研究D南京南京航空航天大学，200616倪其民,李从心,吴光琳,阮雪榆,考虑刀具变形的球头铣刀铣削力建模与仿真,机械工程学报,2002,38311811217陈日曜金属切削原理机械工业出版社,199718成群林，柯映林，董辉跃航空铝合金铣削加工中切削力的数值模拟研究J航空学报，2006，27（4）72472719倪其民,李从心,吴光琳,阮雪榆,考虑刀具变形的球头铣刀铣削力建模与仿真,机械工程学报,2002,38311811220李军锋,李剑,席平数控机床加工仿真技术及应用计算机仿真2003,204929521卢树斌高速金属切削加工的数值模拟与分D江苏大学硕士学位论文,200622龚堰珏,数控加工仿真关键技术的研究,西安交通大学博士学位论文,200310毕业设计开题报告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）一本课题研究的内容1在分析现有文献有关铣削加工力学模型的基础上,对各模型的缺点进行评价,并针对铝合金LY12CZ材料在特定切削条件下,以加工薄壁板为例,进行力学数值比较。提出力学模型的应用范围,为如何实现实际切削加工中切削参数的优化选取提供了理论依据。2基于力学式切削力预测方法建立了面铣刀动态铣削模型，充分考虑切削厚度、刀具前角和刀具后刀面磨损对铣削力的影响。3针对切削振动制约钛合金高速加工的问题，采用变齿距结构铣刀，在干切削条件下对TC4钛合金进行高速铣削加工，建立动态铣削力模型,分析高速铣削过程中影响铣削力的各因素,通过理论铣削力公式预测在数控铣削时,切削力随切削速度的变化规律。二拟采用的研究手段1应用MATLAB进行切削力力学模型分析针对相同机床、刀具、工件,在不同的切削参数下,由于铣削力沿Y向分力最容易引起薄壁的倾斜变形,因此以径向切削力FYMAX作为主要评价因素。利用MATLAB进行数据处理,分析比较各模型的差异。提出一较为科学的力学模型应用范围。可以得出,进给量AF增加,铣削力总体上是呈增大趋势。但铣削力的增加并不随进给量增加成比例增加。因为进给量AF增加,切削厚度增大,切削面积增大,切削力会随之增大,但切削厚度增大的同时使变形系数减小,摩擦系数也降低,所以不成比例。2在MATLAB环境下,进行了动态铣削力和刀具振动仿真及其频谱分析，并根据仿真结果对转速、齿数、刀具磨损量等影响因素进行了分析验证，该模型有利于揭示各切削参数对动态铣削力和刀具振动的影响规律，从而为实现切削加工参数优化提供理论支持。3针对切削振动制约钛合金高速加工的问题，采用变齿距结构铣刀，在干切削条件下对TC4钛合金进行高速铣削加工，建立动态铣削力模型，利用MATLAB软件对其进行快速傅里叶变换FASTFOURIERTRANSFORM,FFT，得到动态铣削力的频谱图；基于该图分析切削速度对切削稳定性的影响，得到颤振发生的切削速度。试验结果表明颤振会急剧地增加切削力幅值，大大降低已加工表面质量；根据频谱分析，在保证其它切削参数不变的条件下，最佳切削速度为160M/MIN时，从而在保证刀具寿命和加工表面质量的前提下提高切削效率。不同切削速度下铣削力频谱FIG6FREQUENCYSPECTRUMSATDIFFERENTCUTTINGSPEEDVAV80M/MINBV120M/MINCV160M/MINDV240M/MINEV280M/MINFV320M/MINGV360M/MINNOTEFFTFASTFOURIERTRANSFORMTPFTOOTHPASSFREQUENCYOFENDMILL,REFTOEQN4ANDTABLE1SFSPINDLEROTATIONSPEED,REFTOEQN3ANDTABLE4毕业设计开题报告指导教师意见指导教师年月日所在系审查意见系主任年月日附