典型高速加工策略下铣削过程力学仿真算法及软件开发

1、典型高速加工策略下铳削过程力学仿真算法及软件开发北京航空航天大学硕士研究牛开题报告典型高速加工策略下铳削过程力学仿真算法及软件开发研究生学 号指导老师学科专业北京航空航天大学机械工程及自动化学院20-2-21目录1论文选题1 11课题来源1 12论文选题的背景及意义 1 2国内外 研究现状分析3 21数控加工几何仿真国内外发展现状 3 22数控加工物理 仿真国内外发展现状 5 23高速加工走刀策略发展现状 9 3论文研究方案12 31研究目标和内容12 32拟采取的技术路线 12 com研究思路 12com典型高速加工策略分析13 com力学模型平均铳削力模型16 com开发环境17 33可行

2、性分析及创新点19 com技术可行性19 com实验可行性20 com可能创新点20 34预期的研究成果20 4论文工作计划22 5己完成工作 23参考文献 25论文选题11课题来源 本课题来源于教育部高校博士点基金基于切削力学和机电耦合的数控机床优化设计以及国防基础科研项目面向全行业的数控加工工艺数据库研究12论文选题的背景及意义1952年parsons公司和mit研制成功首台数控机床以后传统制造模式逐步走向数字化制造现代制造业对数控机床应用规模和需求的增长十分迅猛在工业生产的各个制造部门数控加工己经成为主要的加工方法制造企业引进的数控机床的数量不断攀升数控加工正在逐步取代传统的加工模式1-

3、2与传统机械加工相比数控加工更加适应现代中小批量生产的需求加工效率更高加工出零件质量更好然而数控机床价格昂贵高档数控机床价格可达到上千万甚至上亿目前我国数控加工整体利用水平与国外相比有很大差异部分企业机床利用率不到十分之一即使是同样型号的机床由于编程人员以及操作人员经验和水平的差异机床利用率相差很多倍数控机床利用率低下严重制约了我国制造业向前发展同时造成了巨大的经济损失及资源浪费国内外制造企业为了提高数控机床的使用效率普遍采用数控加工仿真技术数控加工仿真技术是虚拟制造技术的前提是实现未来虚拟化制造的必要手段数控加工仿真包括几何仿真和物理仿真两大部分几何仿真将加工系统视为理想刚性系统不考虑加工过

4、程中所产生的切削力切削温度刀具变形等物理量只考虑加工过程中刀具的运动轨迹与工件形状儿何仿真主要用来进行nc代码验证检验加工过程中是否发生欠切或过切检验加工过程中可能出现的干涉碰撞等情况物理仿真更多地考虑加工过程中的各个物理量通过建立加工系统的数学模型预测加工中的切削力切削温度振动刀具变形表面形貌等影响加工质量的因素2在数控加工过程仿真中由于几何仿真相对容易因此发展比较迅速并产生了许多成熟的商品化软件如l'gcatiaproecaxavericutdelcamcimatron等儿何仿真软件和反加工过程复杂涉及变量多以及一些不确定因素的存在阻碍了物理仿真的发展fl前只有少数不很成熟的商品化

5、软件如加拿大的cutpro美国的metal美国的thirdwave和国内的simucut几何仿真与物理仿真长期以来独立发展而实际加工过程不仅包含儿何变化更是一个物理过程只有将儿何仿真与物理仿真有机结合起来才能更准确地反映加工过程有效地指导用户进行牛产目前物理仿真软件中切削力模型都是在给定切削参数下计算加工过程的静态切削力或结合加工系统模态文件计算动态切削力实际加工中切削参数是不停变化的即使名义切削参数不变刀具实际切削用量也有所变化如圆角铳削过程中由于圆角的存在切宽不是恒定的为了更准确地反映真实切削过程必须考虑刀具切削过程中的轨迹以及工件加工前后的形状由此可见针对高速铳削加工过程优化要求以基于加

6、工特征的铳削过程力学仿真为基础研究高速铳削加工中不同走刀策略下动态切削力的建模与仿真算法在力学仿真中结合刀具轨迹的儿何信息将儿何与力学仿真进行进一步结合为今后实现真正的虚拟加工高效指导实际生产夯实基础2国内外研究现状分析零件生产的理想过程如下图所示首先设计部门通过cad技术设计出产品的三维模型依据经验与切削参数数据库设定加工工艺规程选定加工参数并利用cam软件生成刀具轨迹经后处理产生nc代码通过几何仿真软件验证数控代码的正确性预先排除加工过程中可能出现的过切欠切以及干涉碰撞等加工故障通过物理仿真软件预测加工过程中切削力主轴转矩切削温度等的人小对预先选定的切削参数进行优化通过cam软件对优化后的

7、加工参数再次生成刀具轨迹并进行nc代码验证将正确合理的nc代码传输到数控机床上对零件进行加工牛产出实际零件图1产品设计制造流程数控加工仿真按是否考虑切削加工过程中的物理因素可划分为儿何仿真和物理仿真两个方面儿何仿真不考虑切削参数切削力及其它物理因素的影响只仿真刀具一工件几何体的运动验证nc轨迹的正确性同时为物理仿真提供必csg和边界表示法b-rep基于实体的voelcker和hunt两人于1981年最早将实体建模技术引入nc程序检验并利用padlcsg模型作了一个试验系统用于检验二半数控铳削程序的止确性4wang研究了雕塑曲面的实体建模并开发了利用整体布尔运算的五轴切削数控仿真系统5为降低实体

8、建模运算量woodwark和weill is 提出的空间分割集合理论方法carlbom提出的局部化操作方法均用于减小nc仿真儿何建模的计navazopo7提出的实体造型八叉树分割法有效降低了几何仿真的求交运算时间kawashima和brunet 8等又提岀了接合树法grafttree运用八叉树及其扩展形式对毛坯和切削区域进行几何造型csg或b-rep表示的数据结构转on算法简单且计算效率高或称视坐标下按平行透视原理进z-buffer消隐算法该方法将屏幕面作为固定的投影基dexel是由相邻的四个像素点定义的它的z值的选取是由四anthertonll等人利用z-buffer结构建立了能快速显示动态

9、加工过程的仿真系统离散矢量法针对基于图像空间方法和实体建模方法的不足用独立的投影平面代替屏幕平面将几何体离散用离散点处的矢量代替几何实体数据这种方法没有几何实体的数学描述但可以用精度来控制离散网格密度是一种可控制精度的几何建模方法chappci 12提出点矢量 point-vector 方法 oliver 13等人采用试探法 heuristicschanghuang14等人采用局部化的方法提高了运算效率国内清华犬学华中科技犬学北京航空航天大学西北工业大学哈尔滨工业大学东北大学南京航空航天大学等高校的研究团队都对数控加工过程几何仿真进行了一些有益的探索 清华大学的肖出元韩向利等人对数控仿真中直线

10、与刀具扫掠体的求交算法进行了研究设计了材料去除过程三维动画软件gncv北京航空航天大学的罗塑实现了视向离散法研究并实现了三角片离散法15西北工业大学的汤幼宁魏生民等人通过坐标变换支持观察 定义的动态变化移动实例来nc加工仿真和验证赵继政和魏牛民等人研究了一 种基于物体空间的离散方法釆用不同颜色显示的三角片来实现真实感图形显示 17哈尔滨工业大学的刘华明教授在复杂曲面离散技术的基础上开发了一套基 于微机的复杂曲面数控加工仿真验证软件包18哈尔滨工业大学袁哲俊等人以 扩充z-map表示工件实现了三轴数控铳削仿真19东北大学和大连铁道学院的 研究团队开发的基于光线跟踪的加工仿真系统中用简化的torr

11、ance-sparrow光 照模型生成了真实感很强的仿真图形z-map数据结构的仿真方法进行了 20伍 铁军等提出了一种数控铳削仿真的切削过程几何表示及真实感图形显示算法显 示效果接近于光线跟踪算法21 22数控加工物理仿真国内外发展现状物理仿 真的基础和核心是加工过程建模物理仿该公式将切削力视为切削速度进给速度 以及切削深度的函数taylor和其他学者通过大量切削实验对加工中的切削力刀 具寿命和刀具磨损等指标进行了测量建立了用于描述这些指标与切削条件刀具 几何参数之间关系的经验公式经验模型一旦建立对特定的切削状态比较实用但 也存在显著的不足首先要建立经验公式就必须进行大量切削实验建立庞大的数

12、 据库来存储实验结果其次一旦切削条件发生改变经验公式就不再适用必须重新 进行实验2基于切削机理的解析模型解析方法通过对发生在切削过程中的物 理机理进行解析建模来对切削力进行预测由于切削加工本质上的复杂性目前所 有解析模型都无法对发生在切削刃前后刀面上的所有复杂现象进行概括因此为 使问题易于处理或多或少地引入了一些假设解析方法的另一个不足之处是无法 对斜角切削中复杂的动态切削力进行精确的建模merchant根据合力最小原理确定了剪切角公式建立了直角切削模型lee和shaffer等人依据塑性定律提出了剪切角预测模型yamazaki和wang研究了根据平均功率来估算切削力的平均刚性力模型之后spen

13、ce和altintas等人针对任一时刻铳削力进行了研究釆用瞬时刚性力模型tlusty等人从刀具与工件z间相互作用的动力学角度提出了再生动力学模型3基于单位切削力的力学模型单位切削力法将切削力看成与切屑截面积成正比其中的比例系数取决于切削条件和材料特性该方法最早由sabberwaal提出kline等人使用力学方法对立铳过程进行了建模并在模型中考虑刀具变形和刀具偏心影响devor和sutherland通过考虑加工系统变形对切屑载荷的影响对其立铳模型进行了改进armarego和deshpande用类似方法对立铳过程进行建模以实现对静态切削力的预测elbcstawi等人提出了一个动态切削力模型来对承受

14、侧向磨损的立铳刀的颤振进行预测其工作是基于简化的二自由度振动系统fu等人提出了针对面铳的力学模型并宣称其静态切削力预测时考虑了主轴倾斜和面铳刀偏心的影响purdue小组提出了一个针对面铳加工的综合力学模型以实现对动态切削力的预测在预测时考虑了主轴-轴承的非线性性及机床-刀具结构的多振动模态另一方面british columbia小组提出了一个综合的切削力模型来实现对平头铳刀和球头铳刀加工过程动态切削力的预测近年来对基于单位切削力的力学模型研究较多出现了许多不同的模型常见的有如下几种a平均铳削力模型 average cutting coefficient model b 变切削力系数模型 variablecutting coefficient model c 基于直角到斜角变换模型 orthogonal to obl iquecutting transformation cl 双线性铳削力模型 bilinear force model e 指数切屑厚度模型exponenti