基于傅立叶级数的铣削力建模及实验研究

摘要

数控铣床是机械制造业最重要的基础装备之一，高精度、高效率、低成本是其必然的发展方向。传统的数控铣削加工文件编制仅从零件的几何形貌角度出发而忽略加工过程的物理状态，因此只能采用保守的加工参数以保证加工过程的安全性，制约了机床性能的充分发挥，影响了加工的质量与效率。本文建立了基于傅立叶级数的铣削力模型用以描述铣削过程的物理状态，并以数控铣削余量优化为例，探讨了铣削力模型在数控铣削加工参数优化中的应用，主要工作如下：
　　 以微分几何为手段，分析了立铣刀与球头刀的加工过程，考虑了铣削过程的剪切机制与犁切机制，建立了沿刀具轴向的微元刀刃的铣削力模型。通过解析几何分析与Z-map模拟相结合的手段，描述了在铣削加工过程中，各种不同形式曲面的工件与刀具的接触区域，将刀具微元刀刃铣削力在接触区域内积分得到刀具总的铣削力模型。通过傅立叶变换将周期性的刀具总的铣削力转换为了傅立叶级数形式，建立了基于傅立叶级数的铣削力模型。
　　 通过对铣削力的傅立叶级数零频项的分析，推导了通过槽铣实验的平均铣削力求解立铣刀与球头刀切削系数的线性方程组。采用数控机床与测力仪进行了铣削实验，通过实验数据回归了立铣刀与球头刀的切削系数，进而通过MATLAB数值积分模拟了一定铣削用量条件下的铣削力，对比了其与相同铣削用量条件下实验测量的铣削力，结果吻合良好，验证了铣削力模型。
　　 分别针对立铣刀与球头刀，通过几何分析，以满足加工精度为条件，离散了2.5维曲面，规划了刀触点集合。运用向量运算，推导了刀位点集合的计算。运用铣削力模型，根据刀触点与刀位点数据，计算了保持恒定水平面内铣削分力幅度要求的余量点，完成了余量优化。通过两个数值算例，验算了数控铣削加工余量优化流程。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1课题的背景与研究意义

1.1.1课题的背景

1.1.2课题的研究意义

1.2国内外研究概况

1.2.1数控加工技术的发展概况

1.2.2铣削力模型研究概况

1.2.3铣削加工参数优化研究概况

1.3存在的问题

1.4本文主要内容

2基于傅立叶级数的立铣刀铣削力模型

2.1 引言

2.2立铣刀铣削几何模型

2.3立铣刀铣削力模型

2.3.1 立铣刀微元刀刃铣削力模型

2.3.2立铣刀单齿铣削力模型

2.3.3立铣刀多齿铣削力模型

2.3.4立铣刀铣削力解析积分模型

2.3.4立铣刀铣削力傅立叶级数模型

2.4本章小结

3基于傅立叶级数的球头刀铣削力模型

3.1 引言

3.2球头刀铣削几何模型

3.3球头刀铣削力模型

3.3.1球头刀微元刀刃铣削力模型

3.3.2球头刀铣削切削系数形式

3.3.3球头刀单齿铣削力模型

3.3.4球头刀多齿铣削力模型

3.3.5球头刀铣削力傅立叶级数模型

3.4球头刀铣削力模型傅立叶系数的计算

3.4.1解析几何计算傅立叶系数

3.4.2 Z-map模拟计算傅立叶系数

3.5本章小结

4铣削力模型的实验验证

4.1 引言

4.2切削系数的实验回归方法

4.2.1立铣刀切削系数的实验回归方法

4.2.2球头刀切削系数的实验回归方法

4.3实验验证

4.3.1 铣削实验

4.3.2实验数据处理与铣削力模型验证

4.4本章小结

5基于铣削力模型的铣削加工余量优化

5.1 引言

5.2立铣刀加工余量优化

5.2.1立铣刀刀触点集规划

5.2.2立铣刀刀位点集计算

5.2.3立铣刀余量点集计算

5.3球头刀加工余量优化

5.3.1球头刀刀触点集规划与刀位点集计算

5.3.2球头刀余量点集计算

5.4数值算例

5.4.1立铣刀余量优化数值算例

5.4.2球头刀余量优化数值算例

5.5本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢