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模具高速铣削刀具轨迹规划与工艺参数优选技术的研究

陈英  
【摘要】:高速切削由于其高效高精可加工高硬材料的特点,能够满足自由曲面精加工的需求,上世纪90年代以来,逐渐走向实用,在复杂自由曲面制造领域得到了广泛应用,并正在成为当代先进制造技术的重要发展趋势。高速铣削应用于模具加工中,在改善表面质量的同时提高了加工效率,可以在一次装夹中完成粗精加工的所有工序甚至取消手工操作。模具等零件的高速铣削加工多为难加工材料且材料去除量大、消耗时间长、刀具寿命短,随着工件形状复杂程度的增加,提高自由曲面加工精度和加工效率变得越来越重要。 环形刀五轴数控加工自上世纪60年代以来开始得到应用,环形刀五轴数控加工在改善表面质量和提高加工效率方面显示出了更大的优势。数控编程是数控加工的基础,刀具运动轨迹规划是多坐标数控编程的基础和关键。因此,针对自由曲面五轴数控加工问题,通过刀具位姿、路径规划和工艺参数选择来实现在保证精度前提下,加工效率的提高成为急待解决的问题。 刀具轨迹规划需配合工艺参数选择最终生成数控加工程序,在以往编程过程中没有考虑进给速度的频繁变化导致铣削过程本身加工工艺环境的不断恶化。因此,本文将高速铣削自动编程和轨迹规划的研究从系统论的角度结合机床的动力学特性进行研究,建立位姿与轨迹优化控制理论和工艺参数优化模型,并对位姿与轨迹优化和工艺参数优化进行有效集成与融合,主要研究内容如下: (1)高速高精数控编程系统需完成的任务和关键问题研究。在对高速铣削数控编程系统相关问题研究的基础上,建立了多轴数控加工刀具姿态的控制和优化、最大行距的计算、工艺参数优化选择等方面的完善的数控编程系统框架,对影响精度和效率的关键问题进行了分析。 (2)环形刀五轴数控加工刀具路径规划的研究。基于杜邦指标线,推导出了环形铣刀五轴铣削复杂曲面时的局部可铣性充要条件,在求得等残留高度算法最大加工带宽的同时确定了无局部曲率干涉的刀具姿态,生成了刀具轨迹并与传统算法进行了比较。 (3)等残留高度算法的首条路径优化。分析了带宽与曲面特性的关系,基于最大平坦度方向可以减少刀位点数量的原则优化了等残留高度算法中的首条路径,使其与曲面的曲率特性相关;应用前述自适应刀轴矢量算法中刀具姿态和带宽的确定方法生成刀具轨迹,并与前述方法进行比较可得首条路径优化后的刀具路径更能提高加工效率。 (4)速度和加速度动态特性研究。应用恒表面切削速率方法对上述方法生成的刀具轨迹,基于MATLAB方法进行速度和加速度分析,比较其速度和加速度特性,并指出带宽由曲面的曲率特性和倾角大小共同确定,当步长变化均匀时可以优化加速度曲线,初始路径的选择可以优化刀具轨迹。 (5)高速铣削中切削工艺参数的优化。基于a p,n,fz,ae四个主要切削参数,针对塑料模具钢P1.2738进行了四因素四水平正交切削试验;采用极差分析法分析了各因素对表面粗糙度Ra的影响规律并获得了最佳参数组合为A2B3C1D1;应用正交回归方法建立了表面粗糙度Ra预测模型,经检验回归方程和回归系数均程高度显著可以进行预测,根据预测方程所绘制各单因素对表面粗糙度Ra的影响规律与极差分析法一致;利用人工神经网络BP算法建立了4输入1输出、隐层结点数为12的三层表面粗糙度预测模型,将预测结果与BP算法进行比较得出BP预测效果优于正交回归分析方法;基于BP网络所建立的表面粗糙度Ra预测模型结合遗传算法以最小的表面粗糙度和最大的材料去除率为优化目标,求得了满足条件的最优参数组合。 (6)针对传统等残留高度算法,自适应刀轴矢量的等残留高度算法和首条路径优化后的自适应刀轴矢量等残留高度算法三种刀具路径方法生成的刀具轨迹,结合在铣削工艺参数优化中得到的最优参数组合,以塑料模具钢P1.2738为试验材料,应用DMU125P五轴数控机床对三种方法生成的刀具轨迹进行加工对比试验,验证了本文方法可以在保证精度的前提下明显提高加工效率。


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