异型石材锯铣复合加工工艺与装备技术基础研究

发布时间：2020-06-22 12:14

【摘要】：天然石材属于典型的硬脆性材料,其物理和化学成分复杂、切削加工难度大;同时石材高端制品的多样性、复杂性和艺术性需求,对机械系统的运动学和动力学性能提出了较高要求。传统金属切削理论和装备技术,并不完成适应石材产业高速高效、绿色化的加工需求。为此本文分析了锯、铣加工条件下的天然石材材料去除机理和工艺特性,进行了异型石材锯铣复合(组合)加工装备设计与制造领域关键问题的研究与开发,开展了复杂制品锯、铣加工工艺技术的分析与验证。主要研究内容包括:论文通过理论、仿真和实验分析等手段,解析了锯、铣加工条件下的天然石材材料去除机理和工艺特性。通过运用多分量旋转测力系统,分析了发生在锯切加工弧区内的切削力载荷特性,研究表明:天然石材锯切加工过程中的切削载荷随着切削厚度和进给速度的增加而增加;随着切削线速度增加而减小;切削载荷在弧区内的分布受切削深度、切削线速度和进给速度的影响,通过正交实验建立的锯切力幂指数数学模型与实验实测结果的平均偏差为2.53%。论文提出了使用CVD金刚石涂层刀具对天然大理石材料进行铣削加工的工艺方法,研究表明:在此工艺条件下,天然石材经历了弹塑性变形、压皱压裂、脆性去除和体积破碎的材料去除过程。CVD金刚石涂层能够使切削载荷降低40%,改善了切削工艺特性和提高了切削加工表面质量。论文解析了天然石材锯、铣加工条件下的材料去除机理,获取了天然石材锯、铣加工工艺特性,为天然石材高速高效、绿色化加工提供了新的工艺方法。论文在对异型石材制品锯、铣加工过程进行运动学分析的基础上,解析了机床运动轴配置的可行域,提出了一种具有“八轴双五联动功能”的异型石材锯铣加工中心设计模型,分析了基于产品族设计的加工中心模块化设计方法;针对锯切工艺特殊的运动学特性,基于工程问题的类比分析,提出一种“单驱动可分度的复合切削功能部件”,解决了锯铣复合(组合)机床小空间多功能复合化、铣削与大扭矩锯切复合化的矛盾,实现了7"的高精密分度与机械式锁死;并通过运用参数灵敏度分析方法,优化了主轴支撑结构参数,使主轴最大等效应力降低31.3%,静刚度提高13.4%,并通过了实际样机验证。论文在样机动力学分析的基础上运用材料变密度插值算法,对铸造式床身进行了结构拓扑优化,开发第二代焊接式异型石材锯铣加工中心,使整机质量减轻了 54.98%,刚性提高了30.3%。经过精度分析与补偿,机床各运动轴精度满足了异型石材锯铣复合加工要求,并依此建立了机床产品精度检测标准。论文为异型石材锯铣复合(组合)加工中心设计与创新,提供了的基础理论和方法,解决了异型石材锯铣加工中心生产制造领域的关键技术问题,推动了异型石材锯铣加工中心的产业化开发。论文开展了异型石材锯、铣加工工艺关键技术问题的研究与开发。论文研究了立体雕塑制品的三维逆向成形、数据拼合和精度分析方法,分析了基于三基准点的数据拼合算法对模型拼合精度的影响因素,进行了异型石材锯铣加工中心专用五轴后处理器算法的研究和开发,并通过实际加工实验和精度检测,验证异型石材锯铣复合加工中心的加工能力。论文研究了平面浮雕制品的数字化建模过程,提出了一种基于刀触点路径截面线法的锯切加工路径规划算法,该方法在点云数据的基础,通过截交面产生截交线;通过调整锯片直径、步长满足截面线最小加工曲率要求,拟合产生刀具路径,并在实际加工中进行了验证。通过对异型石材复杂制品使用锯、铣加工技术,使产品加工效率提高6倍以上,平均偏差小于0.929mm,达到了石材产业制品加工的精度要求。论文解决了异型石材制品数字化加工过程中关键技术问题,提供了异型石材锯、铣加工路径规划算法,推动了异型石材锯铣加工中心的产业化应用。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU754.4;TU63
【图文】：

曲线,石材制品,加工设备,多功能

材加工过程中的不稳定振动特性和高粉尘的工艺环境，对机床主轴、机床刚性、精度保逡逑持性、系统可靠性以及防护性能都提出了更加苛刻的要求。相对金属工业制品，石雕制逡逑品的曲线、曲面特征更加复杂；石材制品的尺寸精度要求相对较低，但其表面加工质量逡逑求较高。因此使用传统金属加工工艺规划算法，无法满足石材产业的技术性和经济性逡逑求。逡逑因而石材产业迫切需要围绕其切削工艺与刀具技术、多功能数控加工装备制备及其逡逑工技术进行基础理论研宄和技术创新。逡逑Ｌ］．２石材加工装备及其制造业的发展现状逡逑２】世纪以来，伴随着我国石材产业的高速发展，石材装备制造业也逐渐形成了一个逡逑科研、生产、应用、后期维修、安全保障全面发展的初步现代化的工业体系。根据全逡逑石材行业协会提供的数据，目前我国石材企业发展到了邋４．７８万家，有２０００多家专业逡逑材机械设备加工企业为石材产业提供专业设备，初步具备了开发各类成套大板、薄板、逡逑型板、墓碑用加工设备和矿山开采设备；同期一些企业通过和科研院所合作，开发了逡逑批具有先进功能的异型制品数控加工装备。逡逑

雕刻机,石材,样机

逑山东大学现代制造技术研宄中心研制的“ＳＳ系列”数控石材制品多功能加工设备逡逑（如图１．１所示），能够适应各种曲面、台、板面及花线、回转柱面的加工；广东美捷逡逑特等公司开发的石材雕刻机（如图１．２（ａ）所示），己经能够实现与灰度图像的无缝加工；逡逑山东华兴机械公司开发了多工作头雕刻机（如图１．２（ｂ）所示），能够实现四个雕刻头的逡逑同步或异步加工。这些设备的研制，满足了石材产业基本生产需求。逡逑（ａ）美捷特］２１Ｂ数控雕刻机逦（ｂ）华兴Ｑ－４］多头雕刻机逡逑（ａ）邋ＫＪＴ邋ＣＮＣ邋ｅｎｇｒａｖｉｎｇ邋ｍａｃｈｉｎｅｓ逦（ｂ）邋0－４１邋ｍｕｌｔｉ－ｈｅａｄ邋ｃａｒｖｉｎｇ邋ｍａｃｈｉｎｅ逡逑图１．２国产石材雕刻机样机图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｄｏｍｅｓｔｉｃ邋ｓｔｏｎｅ邋ｃａｒｖｉｎｇ邋ｍａｃｈｉｎｅ邋ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ逡逑但对于立体、多面、曲面等复杂异型构件，往往需要多轴联动加工才能够实现，由逡逑于长期以来，国内对石材基础加工工艺和多轴加工技术研宄的相对不足，造成国内高档逡逑异型制品加工设备，多以进口国外二手设备为主，这些装备往往使用和维护成本很高，逡逑且大部分功能都不能得到充分应用，严重影响了我国建筑装饰装修水平和品位，阻碍了逡逑我国装饰装修行业的发展。从总体上看

【参考文献】