模具深腔曲面多轴数控铣削加工技术研究

发布时间：2019-09-13 02:16

【摘要】：随着数控机床的普遍使用、模具制造技术的发展和国内外市场竞争的日趋激烈,以五轴数控加工为代表的先进加工技术日益成为一个国家制造实力的重要体现,发展新的模具五轴加工技术,提高加工精度、表面质量和效率,降低加工成本是不懈追求的目标。深腔曲面在模具生产中大量存在,采用五轴机床,其刀具倾角、加工路径和其它工艺参数可以进行编程控制,具有很大的自由度。刀具倾角、加工路径和其它工艺参数与切削力、刀具变形、加工效率和质量密切相关。根据刀具姿态、加工路径与加工质量和加工效率的关系,选取最优的加工路径、刀具姿态以及其它工艺参数,从而在保证所需加工质量的前提下,获得最高的加工效率。本文分析了五轴加工中切削方式、刀具倾角、切削速度等主要工艺参数对切削力、加工精度和加工质量的影响,进而对深腔曲面的五轴加工工艺优化进行了研究。分析和建立了在不同切削状态(顺铣、逆铣)下,平头刀和球头刀两种刀具不同的切入、切出角和瞬时切屑厚度模型,建立了不同的铣削力模型,研究了顺、逆铣对刀具的受力变形和加工精度的影响；建立了刀具姿态对球头刀受力变形影响的模型,研究了球头刀刀具姿态对加工精度的影响。根据轨迹包络成形原理,分析了在不同切削状态(顺铣、逆铣)下,平头刀、球头刀的表面残留高度数学模型,分析了平头刀直径或球头刀半径、圆弧面曲率半径、进给速度和主轴转速对其残留高度的影响,提出了通过改变加工方式、刀具倾角、刀具直径、主轴转速和进给速度,可以改变加工表面的残留高度,改变表面粗糙度。分析了两种不同类型五轴机床(一倾斜工作台一摆头XKH800和双转台Mikron HSM400u)的空间结构,建立了坐标变换公式,解决了将工件坐标系下的刀心坐标和刀轴矢量通过绕旋转轴旋转后,变换成机床坐标系下坐标的方法,即建立了两台机床的后置处理算法,并运用UG/Post Builder后置处理工具为两台五轴机床创建了专用的后置处理器,将刀位轨迹文件转化成加工用的数控程序代码,最后通过仿真和实际加工验证了该算法和后处理器的正确。在VERICUT软件中构建了MIKRON HSM400u五轴机床的仿真环境,基于完整的数控加工工艺系统环境,进行了模具型腔曲面的五轴数控加工仿真,比单纯的刀位文件仿真更真实,更接近实际加工情况,解决了实际加工过程中的过切、欠切,以及刀具、工件与机床部件和夹具的碰撞问题,降低了生产成本,提高了工作效率。对模具深腔曲面的五轴数控加工工艺进行了优化,提出了多目标优化的目标函数、设计变量、约束条件和优化算法实现,对刀具轨迹进行了优化,确定了铣削方法、走刀方式、刀具姿态的选取原则,通过典型实例的加工,证实了优化参数能够在保证加工质量的前提下,提高加工效率。最后分析了进给速度对平面、凸(凹)圆弧顺、逆铣残留高度的影响,提出了基于恒表面粗糙度的进给速度优化策略。使用五轴数控机床进行加工时,由于可以改变刀具姿态(即刀具倾角)和刀具轨迹,所以能够缩短刀具伸长,提高刀具的刚性和加工精度,同时减少零件的装夹次数,减少放电加工,极大的提高加工效率,但是目前的深腔曲面五轴加工仍然存在让刀变形较大、加工表面粗糙度不均匀等问题,限制了五轴机床的应用。研究模具深腔曲面的五轴加工工艺,提高精密模具的制造加工水平,适应了经济发展的需要,有重要的现实意义。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG547

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本文编号：2535503