五轴数控铣削加工几何—动力学建模与工艺参数优化

摘要

五轴数控铣削过程几何.动力学建模及工艺参数优化是国家重大工程中迫切需求的典型零件实现自主制造的核心技术之一,同时也是解决制造企业五轴数控加工效率、加工质量偏低的行之有效的方法。但是目前五轴数控铣削工艺研究及实际加工中存在如下问题:在刀具路径规划阶段,现有的商用CAM系统仅支持刀位干涉检验、修正与加工误差效验,缺乏对刀具运动扫描体包络面与设计曲面之间整体逼近的分析及相应离散刀位的控制；在工艺参数选取和优化阶段,由于缺乏有效的五轴数控铣削过程建模及仿真手段,同时又缺乏对加工过程不确定性的定量分析,工艺参数优化结果基于确定参数的五轴铣削动力学模型,因此实际加工往往不能取得预期的优化效果。
　　 本文拟针对上述五轴数控铣削工艺研究和实际加工中存在的问题,围绕五轴加工有理运动设计-五轴运动刀具扫描包络面生成-刀具路径整体优化-工艺参数鲁棒优化层层推进的研究思路,结合整体叶轮叶片的五轴加工提出基于几何-动力学模型的工艺参数鲁棒优化方法,从几何层面的刀具路径优化和动力学层面的工艺参数优化两方面提升复杂曲面零件的加工精度和效率。在五轴数控铣削加工几何.动力学建模与工艺参数优化研究中,本论文取得如下创新性成果:
　　 1.从运动学的角度将刀具抽象为点-线刚体,将刀具扫描运动的研究转化为对点-线刚体扫描运动的研究,建立了点-线刚体有理运动与对偶四元数空间超平面曲线之间的映射关系,提出了点-线刚体有理运动设计方法。在此理论框架下,将有理直纹面设计问题转化为对偶四元数空间超平面曲线设计问题,将五轴加工刀具姿态球面NURBS曲线设计和优化问题转化为四元数空间曲线设计及优化问题。整体式叶轮叶片五轴加工实验表明,应用优化后的刀具姿态,明显改善叶片的过切现象,提高了五轴铣削的加工精度。
　　 2.将初始离散刀位视为空间离散点-线刚体,利用点-线刚体有理运动方法生成连续的刀具路径,再由双参数球族包络理论求出典型刀具五轴运动包络面解析表达式,以设计曲面上的离散点-刀具运动包络面距离极大值极小化为准则,通过微调初始的离散刀位,将刀具路径整体优化问题转化为设计曲面和刀具运动包络面之间的曲面比较问题,建立了五轴铣削加工刀具路径整体优化模型,通过序列规划方法优化求解。直纹面侧铣的仿真算例表明,利用本文提出的整体刀位优化方法,曲面的几何精度与国际上目前最好的数值结果(LBM方法)相比,提高20％以上。
　　 3.建立了叶片的壳单元模型,将切削中材料去除过程视为壳单元厚度减小的过程,利用矩阵摄动理论预报高速铣削加工中材料去除对工件的模态的影响,得到时变的工件动力学模型,降低了实验强度。模态测试实验表明铣削加工中不同阶段叶片的模态与理论预测模态非常吻合。考虑工件.刀具中实际存在的不确定参数,利用区间代数,推导带不确定参数的工件-刀具的区间有限元特征矩阵和刀具动态响应的上下界。
　　 4.考虑加工过程中的不确定因素,利用区间代数,基于灵敏度分析,求解铣削颤振稳定图的上下界和刀具动态响应的上下界,将带有不确定参数的多目标优化问题转化为确定参数的单目标优化问题,建立工艺参数鲁棒优化模型并优化求解。在整体式叶轮叶片五轴加工中,考虑刀具系统模态参数的不确定性,以主轴转速最大化和刀具振动位移最小化为优化目标,以切削过程稳定、无颤振为约束条件建立工艺参数鲁棒优化模型,与确定性工艺参数优化模型相比,鲁棒优化模型求解得到的结果保证了叶片五轴铣削的稳定性,改善了叶片的表面质量。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景

1.3 国内外研究现状

1.3.1 五轴铣削过程几何建模

1.3.2 五轴铣削过程动力学建模与分析

1.3.3 五轴加工工艺参数优化

1.3.4 国内外研究现状总结

1.4 本文的研究内容及结构

参考文献

第二章 五轴加工有理运动设计

2.1 引言

2.2 欧氏空间直线和点-线运动

2.2.1 R3空间直线运动的旋量表达

2.2.2 R3空间点-线运动的旋量系统表达

2.3 直线运动和点-线运动的对偶四元数空间超平面表达

2.4 点-线刚体有理运动设计的应用

2.4.1 有理直纹面设计方法

2.4.2 有理直纹面设计数值算例

2.4.3 五轴加工刀具姿态球面NURBS曲线设计及优化

2.4.4 叶片五轴铣削刀具姿态优化实验

2.5 本章小结

参考文献

第三章 五轴侧铣加工刀具路径整体优化

3.1 引言

3.2 初始刀位生成和插值

3.3 双参数球族包络理论

3.4 点-曲面距离函数

3.5 基于点-曲面距离函数的整体刀位优化

3.6 刀具路径整体优化仿真

3.7 本章小结

参考文献

第四章 五轴铣削加工过程动态特性及不确定性定量分析

4.1 引言

4.2 铣削过程动态特性定量分析

4.3 铣削过程参数不确定性定量分析

4.3.1 铣削过程参数不确定性主要来源

4.3.2 区间代数简介

4.3.3 具有不确定参数的工件(或刀具)区间特征矩阵

4.4 刀具动态响应上、下界计算

4.5 本章小结

参考文献

第五章 五轴铣削工艺参数鲁棒优化

5.1 引言

5.2 五轴铣削动力学模型

5.2.1 五轴铣削几何变换关系

5.2.2 五轴铣削切削负载计算

5.2.3 五轴铣削力计算

5.2.4 铣削稳定性分析

5.2.5 铣削过程刀具动态响应

5.3 五轴铣削工艺参数鲁棒优化模型

5.3.1 五轴铣削系统动力学灵敏度分析

5.3.2 五轴铣削稳定性Lobe图上下界计算

5.3.3 五轴铣削工艺参数鲁棒优化求解

5.4 五轴铣削工艺参数优化实验

5.4.1 实验环境

5.4.2 刀具系统模态参数区间确定

5.4.3 实验结果

5.5 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6.1 内容总结

6.2 创新点

6.3 未来展望

致谢

攻读博士学位期间的科研成果