难加工材料高速数控加工过程在线测温试验研究

摘要

在高速切削的状态下，会产生大量的切削热，而刀具-切屑区域的热分布是影响高速切削刀具寿命、工件加工表面质量的重要因素，尤其是在广泛采用难加工材料的今天，对刀具的要求就会更高，因此对高速切削过程刀具温度测量方法的研究不仅有助于研究高速切削机理，同时对加工过程中的切削热和切削温度的研究，通过分析和优化，可以提高刀具的使用寿命及工作可靠性。本文基于人工热电偶的测温原理，利用本实验室自主研发设计的嵌入式测温刀柄，通过对以Cr12MoV为难加工材料的工件进行曲面加工，并根据测得的温度数据，分析数控加工刀路的温升特性，为路径优化提供理论依据和实验数据。主要研究内容如下:
　　首先，以Cr12MoV为工件材料，选择旋钮作为典型零件，通过Pro/E对旋钮模型进行三维造型，并转换成MasterCam9.1可以识别的文件格式。在MasterCam9.1中进行相关参数的设置，选择走刀路径，经过实体验证确定符合加工要求后，生成相应的NC数控文件，完成旋钮模型的自动编程。
　　其次，进行了高速铣削刀具温度测量的正交实验，通过对测温实验数据的分析，分别分析了整体温度和局部温度温升的特性。根据刀路图可知，温度曲线的波峰一般发生在曲率较大和刀具转向的点。在局部，刀具温度不是平稳波动，而是呈锯齿状的震荡式波动。同时分析了切削参数对刀具温度的影响，根据结果可知，铣削速度比进给量对温度的影响较显著。
　　运用遗传算法，以材料切除率和刀具的温度作为优化目标，以铣削参数作为约束变量进行优化。通过MATLAB内置的遗传算法工具箱对目标函数进行优化，经过51次收敛得到最优解。通过实验对优化结果进行验证，优化后的切削参数可降低刀具的温度，并增加切除率。
　　最后，通过对MasterCam9.1自带的粗加工的几种走刀方式的分析对比，并选择往复行切、单向切削和等距环切三种刀路作为优化目标。通过刀路图和仿真加工效果图，对三种走刀方式进行对比验证，分析出三种走刀方式在温度和效率上的优劣，并且给出了在实际加工过程中对于刀路选择的建议。
　　经过理论建模和实验研究发现了数控加工过程中刀具温升规律，以及温升对刀具、工件的影响，为优化数控加加工参数和刀具路径提供依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 难加工材料高速切削研究

1．2．2 高速切削刀具温度测量研究

1．2．3 切削参数优化研究

1．2．4 加工路径优化研究

1．3 本文主要研究内容及体系结构

1．3．1 课题来源及主要研究内容

1．3．2 本文的体系结构

2 在线测温实验原理

2．1 刀具温度的主要测量方法

2．2 基于人工热电偶法的在线测温

2．2．1 热电偶的标定

2．2．2 嵌入式测温刀柄

2．2．3 测温电路板及数据采集卡

2．2．4 采集软件

2．3 本章小结

3 高速铣削温度在线测温

3．1 旋钮三维实体建模及自动编程

3．1．1 旋钮三维实体建模

3．1．2 加工工艺

3．1．3 旋钮加工自动编程

3．2 立铣刀切削温度实验方案的设计

3．2．1 实验条件

3．2．2 实验方案设计

3．3 实验结果与分析

3．3．1 整体温度分析

3．3．2 局部温度分析

3．3．3 切削参数对温度的影响

3．3．4 铣削温度回归模型

3．4 本章小结

4 难加工材料高速铣削切削参数优化

4．1 铣削参数优化的意义

4．2 优化算法

4．3 优化数学模型建立

4．3．1 优化目标及多目标函数

4．3．2 设计约束

4．3．3 优化模型建立

4．3．4 优化求解

4．3．5 优化结果分析

4．4 本章小结

5 难加工材料高速铣削加工路径的优化

5．1 刀具路径优劣的评价指标

5．2 刀具路径优化

5．2．1 走刀方式的分类

5．2．2 不同路径的比较

5．2．3 结果与分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．1．1 总结

6．1．2 主要创新点

6．2 存在的问题及展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

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