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模具型腔高效数控加工策略及参数优化研究

蔡玉俊  
【摘要】:为了适应各行各业对模具产品的高精度、短工期、低成本要求,模具工业正广泛应用数字化制造技术来加速技术进步。模具数控加工作为模具数字化制造的最重要一环,是影响模具制造工期长短和质量的主要因素。模具型腔作为模具成型的最关键部分,是模具数控加工中难度最大、最耗时的部分。因此,为了缩短模具制造工期,降低模具成本,如何提高模具型腔的数控加工效率是一个亟待解决的问题。 基于上述认识,本文开展了模具型腔高效数控加工策略及加工参数优化研究,主要研究内容如下: 针对模具型腔粗加工的特点,基于粗加工中二维当量载荷的概念,采用散乱点最小二乘拟合的方法,构建了切削力曲面模型,并利用多项式拟合求得进给速度和有效切削深度的函数,根据不同刀位点处的切削条件求得进给速度并反写到G代码文件。最后针对端铣刀和球头铣刀分别引入不同的切深系数,使切削力曲面模型更具通用性。通过进给速度的优化,使得刀具载荷稳定在一定范围内,提高了加工效率,这对载荷要求均匀的高速切削加工更具实际意义。 提出一种面向加工特征、考虑刀具寿命的模具型腔粗加工策略。在等距环切刀具路径的基础上,通过切削层关键区域的提取,将模具型腔粗加工分为钻孔、扩孔、槽切、侧切和清角五种加工特征的组合。根据刀具寿命最长的原则确定槽切特征,并给出了加工策略在英国Delcam公司的CAM系统PowerMILL下的实现。 提出一种基于Tool-ZMap数字化加工几何模型的模具型腔高效精加工策略。在该策略中,按照优先选用圆弧角铣刀和大直径刀具的双重原则,基于建立的数字化加工几何模型—Tool-ZMap模型,确定刀具序列中每把刀具所对应的加工区域,实际加工中每把刀具只需切除所对应的加工区域,其中浅滩区域采用扫掠加工方式,陡峭区域采用等高加工方式。应用该策略可以避免加工特征的识别问题,同时克服了高速切削刀具刚性差的缺点,考虑了刀具寿命对表面质量的影响,实践证明加工策略对模具型腔的高效精加工具有很高的实用价值。 在工件ZMap模型的基础上,采用刀具离散的思想,实现了球头铣刀加工模具型腔复杂曲面的表面形貌几何仿真。利用切屑厚度的解析式计算切屑轮廓,为实现球头铣刀加工模具型腔复杂曲面瞬时切削力的预测和进给速度的优化提供了必要的几何参数。 以微分几何作为分析切削过程的工具,建立了考虑双重效应的切削力修正模型,并采用数值方法求解切削过程中的瞬时切削力。实践证明,采用双重效应的切削力模型,在生产实用中可以分别假设剪切效应和犁切效应的切削力系数为常数,从而大大简化切削力系数的回归难度。基于瞬时切削力模型,给出了模具型腔精加工进给速度的优化策


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