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不同硬度拼接模具铣削过程及切削参数反演研究

高海宁  
【摘要】:汽车覆盖件模具的设计及制造约占汽车开发周期的2/3,已成为汽车换改型的主要制约因素。对于大型汽车覆盖件模具而言,由于其自重及尺寸较大,若直接进行整体淬火,则加工难度大,型面精度难以有效控制。采用镶块式淬硬钢模件拼接后整体铣削加工可以有效解决上述问题。相对于一般铣削加工,拼接模具铣削加工存在两方面特征:过缝冲击及硬度突变。过缝冲击及硬度突变会造成切削力及切削振动产生阶跃性变化,加快了刀具磨损及降低了工件的型面精度。揭示铣削过程中刀具磨损特性和振动特性及影响机制是解决拼接模具加工难点的有效途径。本文针对汽车覆盖件拼接模具生产过程中型面精度不可控的实际问题,建立了切削力、切削振动、铣削稳定性、表面形貌及粗糙度预测模型,结合非支配精英策略遗传算法(NSGA-Ⅱ)、核主成分分析(KPCA)、多种群遗传算法(MPGA)和神经网络算法(ANN)实现了铣削参数多目标优化及反演,具体研究内容包括:依据拼接区域的刀-工接触关系和加工材料不同硬度,建立了拼接区域瞬时切屑厚度模型,结合瞬时刚性力模型得到了前刀面的剪切力。依据正应力及切应力在后刀面磨损区域分布规律,通过积分方法获得了后刀面的摩擦力。通过引入单自由度斜体碰撞模型,结合霍普金森压杆试验得到的刀-工碰撞的弹性变形量,得到了过缝处刀具受到的冲击力。结合剪切力、摩擦力与冲击力模型建立了过缝区域时变铣削力预测模型。两种工况下切削实验与仿真结果具有很好的一致性证明了铣削力模型的正确性。研究成果可有效解决拼接区域铣削力准确表征难的问题。通过把刀具前刀面上动态剪切力建成动态切屑厚度函数,把刀具后刀面因磨损产生的动态接触力建成挤压材料总体积的函数,结合拼接区域冲击力获得了考虑过缝冲击及刀具后刀面磨损的动力学方程。利用多阶拉格朗日插值对状态空间形式的动力学方程中的状态项、时滞项及时间周期系数项进行离散,提出了四阶完全离散方法。基于所提出的四阶完全离散方法得到了铣削过程多周期稳定性叶瓣图,结合最大最小包络法得到了拼接区域铣削稳定性叶瓣带。基于加工过程采集的铣削振动、铣削力数据结合傅里叶变换等时频域方法验证了所建动力学模型的正确性。研究成果可有效解决拼接模具铣削过程非平稳性问题。基于单自由度斜体冲击模型得到的瞬时冲击力,结合阻尼振动方程得到了铣削系统的冲击振动。利用四阶龙格-库塔方法求解铣削系统的动力学方程,得到了铣削系统变切屑厚度引起的切削振动。依据刀具后刀面磨损量对切削刃方程进行修正,结合Z-MAP算法得到了考虑切削系统动态特性和刀具后刀面磨损的已加工表面形貌及粗糙度预测模型。进行了一系列实验验证了所建模型的正确性。基于田口法和灰色关联分析方法得到了表面粗糙度对工艺参数(前倾角、侧倾角和切削参数)的敏感性。研究成果可解决拼接区域型面精度预判问题。以定曲率凸曲面拼接模具为研究对象,建立了以表面粗糙度、刀具寿命及单位时间材料去除率为目标函数,以铣削参数及铣削稳定性为约束条件的多目标优化模型。采用NSGA-Ⅱ算法实现了铣削参数的多目标优化。采用KPCA算法对优化后的铣削参数进行主成分分析。以优化后的铣削参数为样本数据,以表面粗糙度、刀具寿命及单位时间材料去除率为输入量,以主轴转速、轴向切深及每齿进给量为输出量,结合MPGA-ANN算法实现铣削参数反演。同时,利用MATLAB/GUI模块搭建了拼接区域铣削过程仿真平台。研究成果可解决拼接区域型面精度不可控问题。


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