汽车模具铣削加工系统动力学及工艺规划

摘要

汽车覆盖件模具的加工精度和加工效率直接影响了汽车生产与换型周期，其材料多为Cr12MoV和7CrSiMnMoV，属于典型高强度、高硬度材料。本文以汽车模具铣削加工系统为研究对象，进行动力学特性、铣削稳定性和综合刚度场的建模与分析，并规划稳定铣削加工工艺，具体如下：
　　主轴系统动力学特性直接影响铣削稳定性。为了准确建立主轴系统动力学模型，考虑主轴系统铣削状态下产生的轴向铣削力和离心力的影响，建立主轴结合面接触刚度解析模型，并引入到主轴系统动力学特性模型中，得到了主轴系统动力学特性变化规律。然后，考虑主轴系统动力学特性采用频域法进行铣削稳定性预测，分析主轴旋转引起的离心力、轴向铣削力和刀具参数对铣削稳定域的影响，最后进行铣削实验，证明了主轴系统动力学特性和铣削稳定性预测在考虑结合面和离心力的影响下预测结果更为准确。
　　综合刀柄-刀具子系统和工件子系统动态特性建立刀具-工件系统综合动刚度模型，基于刀柄-刀具子系统的有限元动力学模型，分析主轴转速、刀具悬伸量等参数对刀柄-刀具子系统动刚度的影响规律。建立工件子系统有限元动力学模型，分析工件型面曲率和加工位置等因素对工件子系统动刚度的影响规律。基于刀具-工件系统的综合动刚度模型，研究在模具不同曲率、不同加工位置时，刀具-工件的综合动刚度分布规律，并提出表征整体工艺系统综合动刚度性能的强化指标，来描述模具加工系统动刚度较高的频率区间。然后考虑刀具-工件加工系统动力学特性采用频域法建立三维铣削稳定性模型，分析工件型面曲率和铣削加工位置对铣削颤振稳定域的影响规律，并进行铣削实验进行验证。
　　以四轴数控加工中心为例，研究刀具的空间位姿（姿态与位置）的变化对具有凸曲面及陡立面等特征的模具加工系统综合刚度场的影响，进行相应的分析与评价。首先在模具表面选取需分析的关键点，在获得工件材料特性及形状尺寸的前提下，通过有限元获取这些点的刚度矩阵；其次，针对该模具的加工系统，对综合刚度场分析方面所需要的参数进行测量；再次，利用系统刚度场半解析计算方法，依据多体小变形理论，通过雅克比矩阵、点传递矩阵、有限元等方法对系统的综合刚度场进行建模；最后，通过引入空间力椭球对其进行解耦，并选取力椭球不同的几何特性参数作为刚度性能指标，进行综合刚度场分析，从而获得加工系统在该刀具空间位姿下的综合刚度性能分布规律。
　　综合考虑汽车模具加工工艺系统刚度场和铣削颤振稳定性进行典型汽车模具加工工艺规划。基于综合刚度场和力椭球分析，进行刀具姿态选定和刀尖点变形误差分析，并通过刀具路径补偿方法进行刀尖点变形补偿；然后以无颤振稳定铣削、动态加工位置误差、刀具变形为约束条件，以最大材料去除率和表面粗糙度为目标函数，进行加工工艺参数优化。最后进行典型汽车模具铣削加工实验，证明经过稳定铣削工艺规划的模具型面加工精度有所提高，可见以汽车模具铣削过程动力学分析为理论依据的工艺规划更加科学有效。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外的研究现状

1.3课题来源及研究的内容

第2章 考虑结合面的主轴系统动力学特性研究

2.1主轴系统结构件的动力学建模

2.2主轴结合面的动力学建模

2.3主轴系统的整体动力学建模

2.4主轴系统的固有频率

2.5主轴系统频响函数分析

2.6考虑主轴动力学特性的铣削稳定性

2.7实验验证

2.8本章小结

第3章 模具加工系统动力学特性及铣削稳定性分析

3.1模具加工系统综合动刚度建模

3.2模具加工系统综合动刚度分析

3.3模具零件三维铣削稳定性模型

3.4模具零件的动力学特性对铣削稳定域的影响

3.5实验验证

3.6本章小结

第4章 模具加工系统综合刚度场建模与分析

4.1模具加工系统的各部件刚度建模

4.2四轴加工系统综合刚度场

4.3模具加工系统综合刚度场分析

4.4实验验证

4.5本章小结

第5章 基于稳定性和刚度场的模具铣削工艺规划

5.1稳定铣削的工艺规划

5.2汽车模具稳定铣削数控加工工艺

5.3典型汽车模具铣削加工实验

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢