1、數控銑削加工刀具變形及工件外表形貌建模與仿真研究 姓 名： 胡 興 中 學 號： SY0607105 指導教師： 劉 強 教授論文的研究背景及現狀立銑加工切削力及刀具變形模型銑削加工工件外表形貌建模與仿真數控銑削加工動力學仿真系統軟件開發仿真系統實驗驗證及工程應用結論及展望論文主要內容1.1課題來源國防科技工業千臺數控機床增效工程數控機床增效關鍵使能技術工程化研究與應用工程編號：B21200613261.2 國內外研究現狀幾何仿真 國外在這方面的成果比較豐碩，開發了一系列商用CAM軟件， 如UG、VERICUT、CATIA等外表形貌仿真 數控銑削加工過程中，外表形貌的形成機理比較復雜且影響因素

2、很多， 還沒較成熟、可靠的仿真軟件。目前，國內外學者主要是針對外表形貌 的仿真算法進行深入的研究和簡單的應用。 物理仿真 國外一些知名大學和公司先后開發了針 對切削加工過程的物理仿真分析軟件， 具有代表性的是加拿大的Cutpro,美國的 AdvantEdge FEM等缺乏之處幾何仿真與物理仿真系統獨立開展工件外表形貌仿真模型中沒有考慮切削力、刀具變形等物理因素的影響論文的研究背景及現狀立銑加工切削力及刀具變形模型銑削加工工件外表形貌建模與仿真數控銑削加工動力學仿真系統軟件開發仿真系統實驗驗證及工程應用結論及展望 2.1 銑削力模型 2.2 刀具靜態變形模型2.1 銑削力模型 目前銑削力模型有多

3、種，較常用的是瞬時剛性力模型，它可以較為 準確地對加工過程中任意時刻銑削力的大小和方向進行預測。微元三向銑削力坐標變換疊加求和瞬時切屑厚度螺旋滯后角瞬時切削角切削條件判斷2.2 刀具靜態變形模型 在刀具變形分析中，一般將刀具簡化為懸臂梁結構，作用在刀具x、y方向的切削力使刀具產生彎曲變形，其計算方法如下：第m個微元產生的Y向切削力第m個微元上的切削力在zk處產生的y向變形變形疊加及應力計算論文的研究背景及現狀立銑加工切削力及刀具變形模型銑削加工工件外表形貌建模與仿真數控銑削加工動力學仿真系統軟件開發仿真系統實驗驗證及工程應用結論及展望3.1 周銑加工工件外表形貌仿真3.2 球頭刀銑削工件外表形

4、貌仿真3.1 周銑加工工件外表形貌仿真刀齒運動軌跡工件外表形貌仿真根本思想 工件z-map模型 切削刃的運動軌跡時域離散 網格坐標比較 周銑外表形貌仿真思想 零件的側面是由立銑刀的圓周面加工而成的，因此稱為周銑。刀具工件模型刀具切削刃運動軌跡建模銑刀切削工件時，每個刀齒的運動由沿進給方向的水平運動和繞刀具中心的旋轉運動合成，其運動軌跡是一個余擺線，如圖。切削刃點參數方程坐標變換刀具變形刀齒偏心切削刃軌跡方程坐標系建立仿真流程圖在每一個時間步長ti-1,ti內，切削刃點在等分平面內劃出一段平面曲線，它在工件上的投影近似為直線段AA，通過軌跡方程求得兩個端點的坐標。通過線性插值來計算AA內網格點的

5、y坐標，如果計算的結果小于現有數據，更新網格數據。仿真算例工件外表形貌刀具變形 3.2球頭刀銑削工件外表形貌仿真刀刃運動軌跡數學建模 建立三套坐標系，通過坐標變換得到刀刃點的運動軌跡方程刀具局部坐標系 OTXTYTZT 加工坐標系OLXLYLZL 工件坐標系OPXPYPZP坐標變換坐標變換切削刃點參數方程切削刃點運動軌跡方程離散刀具軌跡下工件網格點判斷 工件z-map模型 離散時刻點切削刃軌跡邊界方程直線方程判斷條件對應于網格點(x，y)處的刀具切削刃掃掠高度值考慮刀具偏心由于刀具偏心產生的刀具中心位移量為： 考慮刀具變形平面合力刀具變形擺角變化切削刃軌跡仿真流程及仿真算例工件外表形貌仿真結果

6、Ra=0.638m與周銑仿真的主要不同之處論文主要內容論文的研究背景及現狀立銑加工切削力及刀具變形模型銑削加工工件外表形貌建模與仿真數控銑削加工動力學仿真系統軟件開發仿真系統實驗驗證及工程應用結論及展望數控銑削加工刀具變形及工件外表形貌仿真軟件開發數控銑削加工動力學仿真軟件開發 基于VC6.0，在實驗室現有仿真系統根底上，開發了新版本的數控銑削加工動力學仿真軟件 系統原有模塊功能完善SimuCut V1.0 外表形貌仿真等新模塊的開發論文的研究背景及現狀立銑加工切削力及刀具變形模型銑削加工工件外表形貌建模與仿真數控銑削加工動力學仿真系統軟件開發仿真系統實驗驗證及工程應用結論及展望5.1 仿真系

7、統實驗驗證5.2 仿真分析5.3 工程應用刀具變形仿真結果軟件比照 在銑削加工過程中，刀具的變形量在現有實驗條件下無法直接測得，因此對刀具變形的仿真結果進行了軟件驗證。仿真比照軟件為CutPro 8.0，該軟件是目前較為先進和全面的加工動力學仿真軟件。 仿真比照使用的刀具和切削工藝參數見表3和表4，工件材料為鋁合金7075-T6，其切削力系數：Ktc= 796.1 N/mm2，Krc= 168.9N/mm2，Kac= 222.0 N/mm2，Kte = 27.7N/mm，Kre = 30.8 N/mm，Kae = 1.4 N/mm。Cutpro本文算法比照結論通過上述四組比照可以看出，在不同切

8、削條件下，刀具變形量的仿真結果與CutPro根本相同另外，下一節周銑加工外表形貌的實驗驗證結果，也能夠間接驗證刀具變形的仿真結果周銑加工外表形貌仿真實驗驗證機床：立式加工中心VMC0850B儀器：顯微鏡15JE，Taylor-hobson外表輪廓儀，千分表工件材料：鋁合金7050周銑加工工件外表形貌仿真刀具參數周銑加工工件外表形貌仿真實驗比照一仿真參數主軸轉速 n (r/min)5000進給速度Vf (mm/min)1000每齒進給量Fz(mm/ z)0.1切深ap （mm）2.5切寬ae （mm）0.5銑削方式順銑周銑加工工件外表形貌仿真實驗比照二仿真參數主軸轉速 n (r/min)2000

9、進給速度Vf (mm/min)800每齒進給量Fz(mm/ z)0.2切深ap （mm）5切寬ae （mm）1銑削方式順銑實驗結論外表形貌的仿真圖形與實測結果根本一致，工件外表輪廓變化周期根本相同，其輪廓幅值和外表粗糙度值的仿真結果與實測值的差異不超過10%，證明了算法的可行性。通過Z向輪廓高度的仿真與實驗比照，間接地驗證了刀具變形仿真結果的正確性。球頭刀銑削工件外表形貌仿真比照 球頭銑刀加工外表形貌仿真實驗所用機床及測量儀器與周銑完全相同，刀具及工藝參數見下表：球頭刀加工工件外表形貌仿真刀具參數表球頭刀加工工件外表形貌仿真切削參數表工件外表形貌仿真三維圖形工件外表形貌顯微照片工件外表形貌平面

10、投影仿真比照一仿真比照二工件外表形貌仿真三維圖形工件外表形貌平面投影工件外表形貌顯微照片外表粗糙度實驗與仿真結果比照外表粗糙度仿真實驗參數實驗結論工件外表形貌仿真結果與實驗結果吻合較好，能夠非常明顯地反映出X和Y兩個方向的工件外表殘留高度。工件外表粗糙度值仿真和實驗的變化規律根本一致，但在數值上還存在一定的誤差。誤差產生的主要原因是：刀具工件材料的粘性、刀具的磨損、刀具切削刃幾何模型簡化及測量誤差等。數控銑削加工刀具變形及工件外表形貌仿真分析刀具變形仿真分析刀具安裝懸長對變形的影響每齒進給量對刀具變形的影響刀尖點變形量與刀具安裝懸長的三次方成正比 刀具變形根本隨每齒進給量成線性變化 同理，可以

11、分析切寬和切深對刀具變形的影響周銑加工外表形貌仿真分析刀具變形影響0.025mm0.032mm 刀具的Y向變形量并不是完全復印在工件的外表形貌上刀具偏心影響外表形貌出現較明顯的差異，在靠近刀尖的一側輪廓間距較小并且比較平坦，其外表粗糙度值要小于另一端每齒進給量對外表粗糙度的影響切寬對外表粗糙度的影響切深對外表粗糙度的影響工藝參數對外表粗糙度的影響分析球頭刀銑削工件外表形貌仿真分析fz=0.1 fz=0.2fz=0.3 fz=0.5每齒進給量對工件外表形貌的影響 在每齒進給量較小的情況下，間歇進給殘留物對工件的外表形貌起主導作用。但在每齒進給量較大時，進給殘留物對工件外表形貌的影響更為重要。徑向

12、切寬對工件外表形貌的影響ae=0.5 ae=1.0 ae=1.5ae=2.0從上述仿真結果可以看出，隨著徑向切寬的增加，工件的外表形貌發生明顯的變化，外表殘留高度迅速增大。綜合上述仿真結果可知：徑向切寬和每齒進給量是影響球頭刀加工工件外表形貌的兩個重要因素，合理選擇這兩個參數及它們的比值，能夠有效的提高球頭刀銑削工件的外表精度。5.3 仿真系統工程應用 仿真系統及參數優化方法在30多家國防企業中成功應用優化目標：約束條件：通過動力學仿真系統獲得 基于數控銑削動力學仿真系統的工藝參數優化最大材料去除速率MRR典型應用實例：某軍工企業的Zimmerman FZ35龍門加工中心、Hermle C1200U立式加工中心及DMU125p五軸加工中心優化前后參數比照總 結在銑削加工過程瞬時剛性力模型的根底之上，建立了刀具變形的仿真模型。 基于工件的z-map模型，建立了考慮刀具變形等因素的周銑和球頭刀銑削加工工件外表形貌仿真模型，初步實現了數控銑削加工幾何仿真和物理仿真的有機結合。研究了工藝參數等切削條件對刀具變形及工件外表形貌的影響，為工藝參數的優化提供了必要的理論依據。仿真分析結果說明，在周銑加工中，每齒進給量、刀具安裝懸長及刀具偏心量對工件的外表形貌影響較大；而在球頭刀銑削