高速銑削熱縮加長刀桿與刀具配合特性及應(yīng)用研究.pdf

1、大型深型腔注塑模具是大屏幕彩色電視機(jī)外殼、電腦顯示器、汽車儀表盤、汽車車門內(nèi)飾件等大型注塑制品的關(guān)鍵制造裝備，具有深型腔復(fù)雜多型面結(jié)構(gòu)、加工精度和表面質(zhì)量要求高、制造周期長等特點(diǎn)。當(dāng)前該類模具的制造過程過分依賴電火花加工與手工拋光與打磨、過分依賴制造者的個(gè)人技能與經(jīng)驗(yàn)等，而使得加工質(zhì)量難以得到有效保證、整個(gè)制造周期大大延長而很難滿足日益加劇的市場競爭需要。熱縮加長刀桿(Lengthened Shrink-fit Holder-LSFH)

2、與刀具配合因其具有高夾緊強(qiáng)度、高回轉(zhuǎn)平衡性、易于到達(dá)和接近深型腔、能滿足復(fù)雜多型面模具加工對刀具多樣性的要求等特點(diǎn)，使其成為實(shí)現(xiàn)大型深型腔模具高速、高效高質(zhì)量銑削加工的重要手段和途徑。目前，由于缺乏對LSFH-刀具配合的配合特性、及使用LSFH時(shí)的加工參數(shù)優(yōu)選、加工精度控制等方面的深入研究，使其在高速銑削加工中的優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮。 本文根據(jù)大型深型腔模具對適合其高速銑削加工刀具系統(tǒng)的迫切需要，著重從LSFH-刀具配合的接觸特性

3、、徑向夾持剛度、動(dòng)力學(xué)特性、加工參數(shù)優(yōu)化以及加工變形誤差補(bǔ)償?shù)确矫孢M(jìn)行深入研究，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了研究過程中所建分析模型的正確性以及加工參數(shù)優(yōu)化與誤差補(bǔ)償方法的有效性和實(shí)用性。 作為動(dòng)力學(xué)特性研究和加工變形誤差補(bǔ)償?shù)那疤岷突A(chǔ)，首先對基于LSFH-刀具配合的高速銑削加工進(jìn)行了銑削力建模，建立基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back-Propagation neural network-BPNN)的瞬態(tài)銑削力預(yù)測模型。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的適當(dāng)處理

4、，模型把時(shí)間參量引入輸入向量，從而克服了以往神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)切削力預(yù)測模型只能預(yù)測平均切削力而不能預(yù)測瞬態(tài)切削力的局限；預(yù)測模型采用梯度下降動(dòng)量學(xué)習(xí)函數(shù)和梯度下降動(dòng)量BP算法訓(xùn)練函數(shù)，避免了單純的梯度下降法使網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練易收斂到局部最小值的不足。檢驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)測模型具有很好的預(yù)測精度，高于通常的銑削力解析模型。 在接觸特性及徑向夾持剛度研究方面，建立了參數(shù)化的有限元模型，并給出了一種合理確定模型中接觸剛度系數(shù)的新方法。研究了初始基本過盈量、

5、配合長度、配合直徑以及高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的離心力對等效應(yīng)力、接觸變形與接觸壓力等的影響。在此基礎(chǔ)上首次引入接觸變差系數(shù)的概念及其計(jì)算方法，給出了實(shí)現(xiàn)LSFH-刀具配合的合理接觸控制的有效方法。研究了不同配合過盈量、夾持長度及主軸轉(zhuǎn)速對徑向夾持剛度的影響，并對不同配合過盈量下的臨界彎矩進(jìn)行了理論界定，建立了靜態(tài)夾持剛度的有效測量評定方法。研究結(jié)果表明：所給出的快速確定LSFH-刀具配合接觸剛度系數(shù)的迭代算法，既能夠保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確，又能夠保

6、證分析過程的收斂；應(yīng)根據(jù)不同的刀具配合直徑進(jìn)行合理的接觸控制；所給出的合理接觸控制方法，既能保證刀具夾持的穩(wěn)定可靠又能提高LSFH的耐用度；在高轉(zhuǎn)速條件下需充分考慮到離心力對徑向夾持剛度的削弱作用，以保證在高轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)對刀具安全可靠的夾持；靜態(tài)徑向夾持剛度的評定結(jié)果驗(yàn)證了所建有限元仿真模型的正確性，分析結(jié)果可為LSFH-刀具配合的設(shè)計(jì)、選用以及生產(chǎn)實(shí)際提供依據(jù)。 在動(dòng)力學(xué)特性研究方面，首次將有限元分析(Finite Elemen

7、t Analysis-FEA)技術(shù)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析(Experiment ModalAnalysis-EMA)技術(shù)結(jié)合起來建立LSFH-刀具配合的有限元模型綜合驗(yàn)證與修正流程。分析研究了刀具懸伸出LSFH的長度、主軸轉(zhuǎn)速對LSFH-刀具配合的動(dòng)力特性包括固有頻率和振型的影響。在動(dòng)力特性分析的基礎(chǔ)上對給定加工工況下的LSFH-刀具配合進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，并對實(shí)際的瞬態(tài)位移響應(yīng)進(jìn)行了評定。研究結(jié)果表明：刀具懸伸長度對固有頻率的影響較為顯著；

8、當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定時(shí)應(yīng)充分考慮高轉(zhuǎn)速對動(dòng)力特性的影響；在高速加工工況下，要準(zhǔn)確求取加工過程中LSFH-刀具配合的受力與變形，必需考慮到LSFH-刀具配合的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性的影響，這樣才能得出與實(shí)際加工工況相符合的正確結(jié)論。實(shí)際評定結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值仿真結(jié)果的正確性，所建立的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模型能夠滿足工程需要，可用于實(shí)際銑削加工過程分析。 在使用LSFH高速銑削加工的加工參數(shù)優(yōu)化研究方面，在充分考慮到各約束條件的模糊性的基礎(chǔ)上，將LSFH-

9、刀具配合的力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性作為加工參數(shù)優(yōu)化的物理約束條件，建立了高速銑削加工過程切削參數(shù)模糊優(yōu)化模型。優(yōu)化結(jié)果表明，與不考慮約束條件模糊性的常規(guī)優(yōu)化結(jié)果及刀具手冊的推薦參數(shù)相比，高速銑削加工時(shí)間分別減少5.95％和8.54％，表面粗糙度分別降低5.42％和6.85％。 在使用LSFH高速銑削加工的加工變形誤差補(bǔ)償研究方面，在前述有限元模型、銑削力模型的建立以及加工參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了一種基于銑削力與刀具變形平衡迭代新算法