球头铣削切削力建模与加工表面形貌仿真研究

摘要

先进的机械加工技术是国防和工业现代化的基础，是衡量国家制造水平的重要指标。本文密切结合先进制造技术的发展，在切削加工基本理论基础上，对球头刀铣削加工过程的切削力建模和铣削加工表面形貌仿真技术进行了研究，建立了适用的仿真算法。 切削力是切削物理过程的重要参数，是刀具一工件变形、切削系统动力学仿真的基础。考虑刀具制造和安装偏心，推导瞬时未变形切削厚度表达式，采用轴向微段划分思想离散切削刃，用几何分析法判断切削微元瞬时参与切削情况。基于切削力和切削负载的经验关系，建立切削微元切削力模型。引入名义切削力，建立了消除偏心因素的切削力系数求解模型。本文切削力模型具有对刀刃微元参与切削判断快速、简单且切削力系数求解所需的切削实验量小的特点。 铣削表面粗糙度是加工过程中的重要参数，直接影响零件的表面完整性。运用微分几何理论，建立任意轮廓铣刀切削刃参数方程；基于零件数控加工过程刀位轨迹，考虑刀具制造和安装偏心，运用坐标变换原理和矢量运算法则推导球头刀多轴铣削过程中切削刃上任意点相对工件运动的轨迹方程，建立了C<'0>、C<'1>连续轨迹表面形貌仿真模型，开发了新的表面形貌高度求解迭代算法。详细研究了进给方式，刀具轴线倾斜方式、倾斜角度，进给速率等因素对工件表面形貌和粗糙度的影响。以平面和圆柱面为例，对加工表面形貌进行了仿真和实验研究，实验和仿真结果对比表明了本算法对表面形貌的预测合理性。本文形貌仿真算法的优点在于：不需要对刀齿切削刃进行微段离散，不需对刀具的切削进给运动和旋转运动进行离散；算法的通用性使得能够对复杂工件表面任意点的表面形貌进行仿真；此外，本文迭代算法在相同的仿真条件下比文献中广泛采用的时间步长法(Time Step Method)计算效率更高。 本文研究内容建立的球头铣削切削力模型和表面形貌与粗糙度仿真模型，是切削过程仿真的重要组成内容，是切削过程动态仿真的基础，对制造业制定合理的加工工艺、选取合理的加工参数具有重要的指导意义。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1球头铣切削力研究现状

1.2.2球头铣削表面形貌研究现状

1.3研究内容

1.4研究方法

1.4.1球头刀切削力预测模型

1.4.2球头刀多轴铣削表面形貌仿真

1.5本章小结

第二章金属切削加工基本知识

2.1金属切削力学

2.1.1直角切削力学

2.1.2斜角切削

2.2切削加工表面完整性

2.2.1表面完整性的概念

2.2.2表面完整性的重要性

2.2.3表面完整性提高方法

2.3本章小结

第三章球头铣削切削力预测建模

3.1球头铣刀几何模型

3.2瞬时未变形切削厚度

3.3切削刃微元参与切削判断

3.4铣削力模型

3.4.1切削微元受力分析

3.4.2瞬时切削合力

3.4.3切削力系数求解

3.5本章小结

第四章球头铣削表面形貌建模仿真

4.1球头铣削表面形貌仿真模型

4.1.1任意轮廓铣刀几何模型

4.1.2多轴铣削表面形貌仿真模型

4.1.3表面形貌仿真算法

4.2仿真算例与实验验证

4.2.1平面铣削仿真

4.2.2曲面铣削仿真

4.3本章小结

第五章总结与展望

5.1论文总结

5.2研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢