汽车覆盖件模具高速切削加工过程的数值模拟与关键工艺技术研究

摘要

汽车覆盖件模具是汽车生产的大型复杂工艺装备，高速切削加工可大幅度提高汽车覆盖件模具的加工效率、加工精度和加工表面质量，降低生产成本。高速切削的工艺技术是成功进行高速切削加工的关键技术之一。汽车覆盖件模具高速切削加工的数值模拟与关键工艺技术的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。 论文首先通过高温拉伸试验和高速压缩试验研究了汽车覆盖件模具常用重要材料钼铬合金铸铁的静、动态力学性能，得到材料的弹性模量、屈服极限、强度极限以及不同温度和应变率下的应力一应变关系，获得建立高速切削加工有限元模型所需要的初始数据；通过高速切削试验，获得了针对模具型面特征采用不同切削参数时的切削力数据，作为有限元模型验证和完善的指标，为进行高精度的汽车覆盖件模具高速切削加工过程数值模拟奠定了基础。 为了研究高速切削加工机理，实现工艺参数的优化，建立了汽车覆盖件模具高速切削加工过程数值模拟的技术路线；深入剖析高速切削产生的热、力及其耦合等复杂现象，将大变形理论和虚功原理应用于高速切削加工过程分析，建立了符合高速切削加工过程的有限元控制方程；研究了高速切削有限元热力耦合模型所涉及的关键技术，利用材料性能试验数据建立了材料本构模型，引用切屑断裂标准，采用DEFORM软件对钼铬合金铸铁进行了高速切削加工数值模拟，模拟结果中切削力、切屑形状同理论模型和试验结果吻合度较高；以加工效率、刀具寿命、加工表面质量为优化目标，对高速切削加工工艺参数进行优选分析，获得了工艺参数对刀具寿命和加工表面质量的影响规律。 汽车覆盖件模具型面的加工质量是模具制造技术中的关键。在分析比较了高速切削时3轴联动数控加工方式和5轴联动数控加工方式的优缺点的基础上，指出了分区域3+2轴(亦称定位5轴)数控加工方式在汽车覆盖件模具型面高速切削应用上的优势。研究了分区域3+2轴数控加工方式在汽车覆盖件模具型面高速切削应用中的关键技术，包括刀轴矢量与加工表面法矢倾角的优化，模具型面加工区域划分和最佳刀轴方向设计。开发了高速数控加工最佳刀轴方向计算工具，解决了汽车覆盖件模具型面数控高速切削加工质量难以保证的问题。 建立高速切削数据库是推广应用高速切削技术的重要手段，基于实例推理是建立高速切削数据库的有效途径。论文规划了基于实例推理的汽车覆盖件模具高速切削数据库系统功能，设计了系统的结构，着重研究和解决了高速切削加工中的实例表示、实例相似度及其算法、实例特征权重及其算法、相似度与权重的动态调整、实例检索、实例改写以及实例保存与系统的学习机制等关键技术，开发了集成于UG环境的基于实例推理的汽车覆盖件模具高速切削数据库系统。高速切削加工技术的应用为高硬度的模具型面的快速修复奠定了基础。针对存在局部物理缺陷或疲劳磨损的汽车车身覆盖件冲压模具的可重用性，提出了缺陷特征提取和有限元分析耦合技术方案。以抽取模具点云中诸如缺陷边界、缺陷原形等特征为基础，并利用特征诱导技术恢复原始模具在缺陷处的基本特征形态。通过冲压过程的动态模拟来矫正基本的特征形态，修复模具型面局部缺陷处的CAD模型，最后以数控高速切削加工技术为手段，实现汽车覆盖件模具的快速物理修复。 本文研究为促进高速切削加工在汽车覆盖件模具全生命周期的高质量应用提供了理论依据和技术保证，研究成果已在生产实际中应用，效果良好。随着研究的深入，高速切削加工有限元模拟的精确度还有待改进，汽车覆盖件模具型面高速切削加工的误差补偿技术也是今后研究的方向之一，更加智能化、基于网络协同工作的汽车覆盖件模具高速切削数据库系统还有待进一步研究与开发。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：本文使用的主要符号及其单位

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2研究背景和选题依据

1.3国内外相关领域的研究现状

1.3.1高速切削加工过程的数值模拟

1.3.2高速切削加工参数优化

1.3.3高速切削数据库

1.3.4模具型面高速切削数控加工方式及其优化技术

1.4论文研究的内容、目标、意义和技术路线

1.4.1研究内容

1.4.2研究目标和意义

1.4.3论文研究的技术路线

1.4.4论文的总体框架

第二章钼铬合金铸铁材料力学性能与高速切削试验研究

2.1引言

2.2钼铬合金铸铁静态力学试验

2.2.1弹性模量测试试验

2.2.2材料断裂临界值测试试验

2.3钼铬合金铸铁材料动态力学性能试验

2.3.1冲击压缩试验

2.3.2材料本构方程

2.3.3试验结果分析

2.4钼铬合金铸铁高速铣削加工试验

2.4.1试验系统与方案

2.4.2试验数据采集

2.4.3试验结果

2.5本章小结

第三章汽车覆盖件模具高速切削加工数值模拟与参数优化研究

3.1引言

3.2汽车覆盖件模具高速切削加工过程数值模拟

3.2.1高速切削加工过程数值模拟的技术路线

3.2.2高速切削加工有限元建模关键技术研究

3.2.3高速切削加工有限元模型的建立

3.2.4高速切削加工有限元模型验证

3.3汽车覆盖件模具高速切削加工机理研究

3.3.1锯齿状切屑成形机理

3.3.2加工参数对锯齿状切屑成形的影响规律

3.3.3高速切削加工过程热量扩散

3.3.4高速切削加工过程剪切角变化

3.4汽车覆盖件模具高速切削加工参数优化

3.4.1加工参数优化目标分析

3.4.2待优化加工参数组合设计

3.4.3高速切削加工参数优化结果

3.5汽车覆盖件模具高速切削加工参数影响规律

3.5.1高速切削加工参数对刀具寿命的影响规律

3.5.2高速切削加工参数对加工表面质量的影响规律

3.6本章小结

第四章汽车覆盖件模具型面高速切削数控加工方式及其关键技术研究

4.1引言

4.2模具型面高速切削数控加工方式研究

4.2.1模具型面3轴联动数控加工方式存在问题分析

4.2.2模具型面5轴联动数控加工方式分析

4.2.3分区域3+2轴数控加工方式的定义和优点

4.2.4分区域3+2轴数控加工方式的本质

4.2.5分区域3+2轴数控加工方式应用流程

4.3模具型面分区域3+2轴数控加工方式应用关键技术研究

4.3.1刀轴矢量与模具切削表面法矢倾角的优化

4.3.2加工区域划分与最佳刀轴方向设计

4.4模具型面高速数控加工最佳刀轴方向计算工具开发与应用

4.4.1UG环境下的模具型面高速数控加工最佳刀轴方向计算工具

4.4.2模具型面分区域3+2轴高速数控加工方式应用实例

4.5本章小结

第五章基于实例推理的汽车覆盖件模具高速切削数据库技术研究

5.1引言

5.2基于实例推理的高速切削数据库系统功能与结构设计

5.2.1系统功能

5.2.2系统结构

5.3基于实例推理的高速切削数据库关键技术研究

5.3.1高速切削加工中的实例表示

5.3.2实例相似度及其算法

5.3.3实例特征权重及其算法

5.3.4基于实例推理方法中的实例检索

5.3.5相似度与权重的动态调整

5.3.6基于实例推理方法中的实例改写

5.3.7实例保存与系统的学习机制

5.4基于实例推理的高速切削数据库系统开发与应用

5.4.1系统的开发流程

5.4.2与UG/CAM的接口程序开发

5.4.3系统的应用

5.5本章小结

第六章基于高速切削的汽车覆盖件模具型面快速修复技术研究

6.1引言

6.2汽车覆盖件模具型面的数值化修复

6.2.1模具型面数字化修复技术路线

6.2.2型面的特征提取

6.2.3基于测量数据的缺陷区域快速分析

6.2.4冲压过程的动态模拟

6.3基于高速切削的模具型面快速物理修复

6.3.1基于高速切削的模具型面修复实例

6.3.2快速修复技术在合模调试中的推广应用

6.4本章小结

第七章结论与展望

7.1论文研究成果

7.2研究成果的实用价值

7.3工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表(撰写)的论文及参加的课题

致谢