基于切削力預(yù)測模型的復(fù)雜曲面銑削進(jìn)給速度優(yōu)化研究.pdf

1、隨著國民經(jīng)濟(jì)和制造業(yè)的飛速發(fā)展，復(fù)雜曲面零件因具有獨特的幾何形狀與使用性能而被廣泛應(yīng)用于船舶、模具、航空等領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備中?？烧{(diào)距螺旋槳槳葉作為一種典型的復(fù)雜曲面零件，其形狀精度與加工性能直接影響著動力定位系統(tǒng)中全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推進(jìn)效率與服役壽命。在服役的海洋環(huán)境中，時變載荷和環(huán)境介質(zhì)會引起槳葉表面產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕、斷裂等失效現(xiàn)象，這對槳葉的表面完整性提出了嚴(yán)格的要求。高性能加工技術(shù)作為一種實現(xiàn)復(fù)雜曲面高精高質(zhì)高效加工的重要手段，對于研究表面

2、完整性的形成規(guī)律及保證槳葉的高服役性能具有重要的意義。
　　鎳鋁青銅材料因具有較高的強(qiáng)度、耐磨性及優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕特性而用于槳葉的制造中，其在切削過程中特別是精加工階段的切削狀態(tài)量會直接影響到零件的表面質(zhì)量，而迄今為止對鎳鋁青銅材料切削狀態(tài)量的建模預(yù)測還缺乏相應(yīng)的研究。此外，槳葉曲面的加工還未形成一套成熟的優(yōu)化方法，加工參數(shù)的選擇通常依賴于操作工人的經(jīng)驗，導(dǎo)致加工質(zhì)量與加工效率難以保證，及表面完整性的關(guān)注也較少。因此，本文結(jié)合表面

3、完整性對切削加工性能的要求，研究鎳鋁青銅材料在切削過程中的形變特性，建立切削狀態(tài)量的預(yù)測模型，開展進(jìn)給速度優(yōu)化方法的研究，以掌握表面完整性形成規(guī)律與實現(xiàn)槳葉高質(zhì)高效加工的目標(biāo)。
　　為了建立鎳鋁青銅材料在高應(yīng)變率下的熱力耦合本構(gòu)關(guān)系，提出了一種切削加工過程中Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)辨識的新方法。該辨識方法綜合了SHPB動態(tài)壓縮實驗、切削力預(yù)測模型及直角切削實驗。首先根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)和SHPB實驗得到了鎳鋁青銅在不同應(yīng)變率和溫

4、度下的真實流動應(yīng)力-應(yīng)變曲線。然后通過建立關(guān)于預(yù)測流動應(yīng)力和實驗流動應(yīng)力的目標(biāo)函數(shù)，將壓縮實驗辨識的本構(gòu)參數(shù)作為初值，采用粒子群算法反演得到了最終的本構(gòu)模型參數(shù)。最后，對切削力預(yù)測模型和有限元仿真得到的切削力進(jìn)行對比，驗證了所建立本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性與辨識方法的可行性。
　　提出了一個基于切削力預(yù)測模型的加工顫振解析建模的新方法，解決了傳統(tǒng)顫振模型不能直觀解釋實際切削過程中的熱力特性以及切削力系數(shù)由實驗標(biāo)定的準(zhǔn)確度太低的問題。該方法將

5、動態(tài)切削過程看作是在每一時刻的準(zhǔn)靜態(tài)切削過程，將工件材料特性、刀具幾何、切削參數(shù)作為輸入?yún)?shù)。其中動態(tài)切削力可通過等效變換的切削參數(shù)計算，進(jìn)而理論推導(dǎo)出動態(tài)切削力系數(shù)的表達(dá)式。另外，機(jī)床系統(tǒng)的動態(tài)模型可以用時滯微分方程表達(dá)，通過進(jìn)行切削穩(wěn)定性分析，由時域半離散法與全離散法分別獲得了直角切削與銑削顫振穩(wěn)定性SLD圖。通過與已有文獻(xiàn)的模型和實驗結(jié)果的對比，驗證了提出的加工顫振解析模型的有效性。
　　目前，銑削過程的切削力通常是通過機(jī)械

6、或數(shù)值方法獲取的，而這些方法比較耗時且對于各種切削條件與刀具/工件組合需要進(jìn)行繁瑣的標(biāo)定工作。因此，本文提出了一種基于可預(yù)測切削理論的球頭銑刀切削力解析建模方法，將工件材料特性、刀具幾何、切削條件及銑削方式作為模型輸入?yún)?shù)，考慮了刀具刃口半徑，變滑動摩擦系數(shù)與刀具跳動對切削力的影響。在模型中，通過考慮了加工硬化、熱軟化與材料尺度效應(yīng)的修正Johnson-Cook本構(gòu)模型來計算剪切流動應(yīng)力。銑刀的每個切削刃沿刀軸方向離散為多個微元，每個微

7、元的切削特性等效為斜角切削過程。通過斜角切削力的預(yù)測模型獲得作用在每個微元上的切削力，然后將所有微元的切削力進(jìn)行疊加，得到整個銑削力的值。最后，通過與已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、平面銑削及變切深曲面銑削實驗的結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了所提出解析模型的有效性。
　　通過研究進(jìn)給速度對加工表面完整性（表面三維形貌、殘余應(yīng)力、顯微硬度）的影響，提出了面向恒切削力控制的復(fù)雜曲面銑削進(jìn)給速度優(yōu)化方法。該方法將給定的參考銑削力與每個刀位點處的最大銑削力之差的絕對

8、值作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以殘余應(yīng)力、加工穩(wěn)定性作為主要約束條件，通過Newton-Raphson迭代算法來調(diào)整CAM刀路文件中的進(jìn)給速度，以保證切削力的恒定以及機(jī)床系統(tǒng)的運行平穩(wěn)。以模型槳槳葉為研究對象，開展了相應(yīng)的加工實驗。實驗結(jié)果表明，提出的優(yōu)化方法使槳葉的加工時間縮短了20％以上，表面殘余應(yīng)力和顯微硬度得到增加，對于提高模型槳槳葉的加工效率，改善表面加工質(zhì)量具有明顯的效果，從而驗證了該優(yōu)化方法的有效性。
　　本文所提出的切削狀態(tài)