球头铣削淬硬钢表面形貌特征与影响因素分析及预测
随着制造业需求的不断扩大，球头铣刀高速铣削逐渐成为汽车模具覆盖件的主要加工方式之一，加工后的表面质量对模具的服役性能具有重要影响。受加工参数、刀具尺寸等影响，加工后表面会形成带有纹理规则排布的凹坑状形貌，并且加工过程中受铣削力的波动不可避免的发生刀具振动，不同的铣削参数、刀具振动等因素综合影响了表面形貌的形成。常规的研究手段大都是建立铣削参数和工件表面质量的经验公式，而忽略了两者之间内在的影响机理。本文通过对铣削表面形貌成形机理的研究，建立了考虑铣削参数和刀具振动影响的铣削形貌预测模型，利用实验与仿真相结合的方式分析了球头铣刀高速铣削淬硬钢Cr12MoV表面的形貌特征，得到刀具振动参数，探究了刀具振动与加工参数对表面形貌的影响规律，分析了包含振动的铣削过程中铣削力的变化规律，结合实验验证建立仿真模型的准确性，并建立了粗糙度与铣削力的预测模型。具体研究包括以下几部分： 首先，分析了铣削过程中工件表面形貌的形成机理，研究了不同振幅下加工表面的二维几何轮廓；通过建立机床、刀具与工件三个坐标系，结合刀具振动矩阵获得了刀具铣削过程中切削刃离散点的运动轨迹；根据Z-map方法结合MATLAB软件编写了加工表面形貌仿真模型的程序。所建立的刀具振动影响下的铣削形貌仿真模型，为研究不同加工参数以及刀具振动对表面形貌变化规律提供了理论基础。 其次，通过球头铣削淬硬钢Cr12MoV实验得到了不同加工参数影响下的表面形貌，通过超景深显微镜对工件表面进行了显微观测，分析了相邻刀路间表面纹理出现错位的原因；通过所建立的仿真模型结合实验研究了无振动影响下，表面形貌随各加工参数变化的情况，并对产生的原因进行了深入分析；通过白光干涉仪观测到了振动作用于工件产生的表面形貌，将测量出的振幅与频率参数代入到表面形貌仿真模型中，与实验得到的加工表面形貌进行对比分析；以三维表面粗糙度参数为评价指标，将铣削形貌仿真模型与实验数据进行了误差分析。 然后，对球头铣削加工过程建立了三维有限元仿真模型。通过设置幅值研究了不同振幅下的工件的应力应变以及铣削力变化情况；设计了正交试验表，结合方差分析法研究了不同参数对铣削力的影响程度。 最后，通过最小二乘支持向量机（LSSVM），建立了表面形貌最大高度Sz、三维算术平均高度Sa与铣削力F的预测模型。使用改进粒子群算法（PSO）对LSSVM中核宽度系数和正则化参数进行最优解搜寻，编写了改进PSO-LSSVM预测模型的程序。结果表明，所提出的预测模型可为实际铣削加工实验参数的选取提供一定的依据。
球头铣削;刀具振动;加工参数;表面形貌
哈尔滨理工大学
硕士
机械工程
张为
2022
中文
TG54
2022-09-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）