基于加工过程建模的模具钢多轴高速铣削表面完整性研究

【摘要】随着航空、航天、汽车、模具、能源动力等制造领域产品复杂程度的提升,复杂曲面的应用越来越多,对关键零部件的加工技术提出了更高的要求。由于多轴数控加工刀轴矢量灵活可控,可优化刀具与工件的接触点位置及相对空间姿态,加工范围广,加工高效性显著,在高端制造领域的应用越来越普遍。多轴铣削技术是多轴数控加工的典型代表,加工表面完整性对复杂曲面零部件的使用性能、寿命及装备的可靠性具有至关重要的影响。本文针对多轴高速铣削加工过程、表面完整性及工艺优化展开研究,具有重要的理论与应用价值。采用计算机辅助建模技术,构建了多轴铣削切屑的三维几何模型,研究了多轴铣削各类倾角工况对应的刀-工接触区变化规律,分析了逆铣工况参切的刀具转角范围随刀具倾角的变化规律。综合考虑切削截面积、截面周长变化及参切转角范围,正前倾角、负侧偏角及负侧偏角和正前倾角复合倾角较理想。若为提高刀具寿命,对切削过程最大切削力和平均切削力有特殊要求,可优先选择负侧偏角、正前倾角或负侧偏角和正前倾角复合倾角；解析描述了刀齿某点的空间运动轨迹,得出了多轴高速铣削刀齿的空间扫掠轨迹和扫掠曲面；构建了基于三维球头铣刀建模的有限元仿真模型,研究了不同倾角对应的刀-工接触线随刀齿转动的变化规律,对比特定倾角对应的切削力试验值与仿真值,分析了切屑形成的异同,提取了各倾角工况对应的瞬时最大切屑温度。研究发现：最大切屑温度随侧偏角增大而增大,这主要是由于参切刃段的有效切削速度随侧偏角的增大而增大；不同前倾角工况对应的最大切屑温度总体变化趋势并未呈现出明显的不同。分析了不同粗加工、半精加工及精加工工况下的切屑形态和颜色,观测、讨论了实际切屑的微观形态特征,检测了切屑自由曲面和背面的元素分布；粗加工和半精加工易发生剧烈的变形和摩擦,进而产生大量的切削热,促进生成较多呈红色的铁的氧化物；剪切区的瞬时热-机械耦合效应会影响最终切屑形貌。切削热的存在会促进切屑与环境中活性气体元素的化学反应。基于正交切削、斜角切削理论、矩阵转换及球头铣刀几何特征分析,探讨了多轴铣削微元刃剪切区切削应力和温度等物理量的时空变化规律,分析了多轴铣削刀具-工件接触区域和切削刃参切条件,仿真了各向切削力的变化规律；建立了多轴高速铣削三维有限元仿真模型,分析了各类倾角条件下最大切屑温度随刀齿转动的变化规律,探讨了不同倾角加工时切屑分离瞬时工件温度场的空间分布状态,对比了各类倾角条件下的能耗和力矩。研究了各类多轴铣削工艺对应的参切刃段有效切削速度；检测并分析了多轴顺/逆铣加工侧偏角、前倾角、复合倾角及切削参数对加工表面残留高度、粗糙度、宏微观表面纹理和形貌、表面损伤的影响规律；重点分析了多轴逆铣复合倾角工况加工特点及加工表面残留高度直方图和表面载重比的变化规律；研究表明：多轴逆铣加工时,有效切削半径及切削速度随负侧偏角绝对值的增大而增大；随正侧偏角增大时,上限切削速度先降低后增大,下限切削速度逐渐增大；其他类型多轴铣削工况的有效切削速度可与多轴逆铣侧偏角工况类比；多轴高速铣削加工表面纹理方向直接决定于靠近最终成形表面的一系列参切微元刃的切削速度方向；加工表面损伤主要形式为凸痕、凹坑、微观裂纹及点蚀等。分析了多轴顺铣加工表面二维轮廓波动情况,理想情况下间歇进给的残留高度仅与球刀半径、切削宽度有关。研究了多轴铣削工艺参数对加工表面残余应力、表面硬度及表面变质层的影响规律。多轴逆铣或顺铣加工时,0°附近的侧偏角和前倾角加工时易产生表面残余压应力,主要是由靠近刀尖参切刃段的挤压作用和较低的有效切削速度引起的。综合考虑各类倾角工况对应加工表面几何特征,针对逆铣加工工况,可优选刀轴转角210°和330°对应的复合倾角,以期在进给和间歇进给方向均获得残余压应力,有利于零部件抗疲劳性能的提高。加工表面残余应力状态无严格要求且需采用顺铣工况的场合,22.5°、315°刀轴转角附近复合倾角可采用,通常可优选正侧偏角和正前倾角组合。逆铣加工时,各侧偏角工况加工表面硬度大于相对应的前倾角加工表面硬度；表面硬度随前倾角增大的变化并不明显；顺铣加工表面硬度随侧偏角和前倾角的增大,总体均近似出现双峰状。针对复合倾角工况,逆铣加工时,综合考虑里氏硬度和显微硬度,刀轴转角60°、120°和210°加工表面硬度较高,刀轴转角180°加工表面硬度较小。顺铣加工时,加工表面硬度随刀轴转角增大总体上呈现出先增大后降低的趋势,315°刀轴转角附近复合倾角加工表面硬度较大。多轴高速铣削表层材料受到切削热和机械载荷的综合作用,会产生组织致密化等现象；最表层铁元素含量急剧增加,同时检测到一些氧元素。基于前述理论分析、几何建模、有限元仿真及试验检测分析,进行了顺铣和逆铣的响应曲面试验。分析了考虑交互作用的各工艺参数对各评价指标的影响规律,提炼了各类目标/约束对应的优化工艺方案,得出了切削过程及加工表面各评价指标与多轴铣削工艺参数间的多项式回归方程,进一步采用遗传算法,构建了目标函数,采用Matlab软件计算出最理想的目标函数值对应的工艺参数组合,可辅助响应曲面法优化工艺方案指导实际加工。理想度最高的多目标协调响应曲面优化工艺方案与最理想的遗传算法优化方案吻合。构建了典型曲面三维几何模型,结合加工实际,依据工艺优化方案,制定了合理的加工策略；借助CAM软件UG生成刀具路径,依据刀轴倾角研究结论,优化控制刀轴矢量,合理控制刀具的参切刃段；进行了典型曲面的加工验证,检测结果表明：样件各区域的加工表面纹理规整、粗糙度较小,且采用推荐的刀具倾角组合易产生较大的硬度和较大的残余压应力,具有较理想的表面完整性。
【作者】陈晓晓；
【导师】赵军；
【作者基本信息】山东大学，机械制造及其自动化，2014，博士
【关键词】模具钢；多轴高速铣削；过程建模；表面完整性；响应曲面优化；

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