复杂曲面慢刀伺服车削数值模拟及工艺试验研究

发布时间：2017-09-02 06:46

  本文关键词：复杂曲面慢刀伺服车削数值模拟及工艺试验研究

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【摘要】：慢刀伺服技术(Slow tool servo,STS)是一种新型的精密车削加工技术,主要应用于各种复杂曲面的车削加工,具有较高的加工精度和效率。欧美国家对该技术进行了大量的研究,已经实现了工业应用。而国内(特别是大陆)相关的研究工作相对较晚,尚未形成加工能力。本文基于自主研发的慢刀伺服装置,对复杂曲面慢刀伺服车削数值模拟和加工工艺开展了相关研究。首先,介绍了慢刀伺服技术的基本理论及研究现状。针对其多用于复杂曲面加工的特点,对DEFORM-3D软件进行了二次开发。基于Lagrange分段线性插值理论,采用Fortran语言编写运动控制子程序,通过读取不同曲面的离散刀位点坐标,实现了对复杂曲面慢刀伺服车削过程的有限元模拟仿真。其次,采用二次开发的软件,建立了表面粗糙度预测模型。选用Johnson-Cook(JC)材料本构方程、库伦(Coulomb)摩擦力模型以及自适应网格划分等准则建立了有限元仿真模型。基于表面粗糙度的微观表现,采用位移参数对加工后的表面粗糙度值进行了预测,同时初步分析了不同车削加工条件对表面粗糙度的影响,并通过相应的工艺试验进行了验证。预测结果也为下文试验设计过程中因素的选取提供了依据。为了获取更加合理的工艺参数从而提高加工质量,建立了加工工艺优化模型。基于响应曲面法(RSM)以及前文预测结果,设计工艺试验,建立了多元二次回归分析模型,并对模型进行了优化。采用优化后的模型,分析了因素之间的交互作用以及对表面粗糙度的影响力大小。通过满意度函数法进行优化求解,得出了最优工艺参数组合:刀具圆弧半径0.88mm,进给速度5μm/r,背吃刀量5μm,主轴转速200r/min,离散角2°。利用该组参数进行加工试验,相比未优化时的加工工件,表面质量有了较大的提高,证明了该模型的实用性。最后,建立了球面、渐进多焦点曲面两种典型曲面的数学模型。通过慢刀伺服车削试验,进一步验证了前文的理论。
【关键词】：慢刀伺服 复杂曲面 数值模拟 二次开发 预测 响应曲面 参数优选
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG51
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题背景及研究意义9-11
• 1.2 慢刀伺服车削技术原理及研究现状11-14
• 1.2.1 慢刀伺服车削基本原理11-12
• 1.2.2 慢刀伺服车削研究现状12-14
• 1.3 研究目的及主要研究内容14-17
• 第二章 复杂曲面慢刀伺服车削数值模拟17-33
• 2.1 慢刀伺服数值模拟基础理论17-18
• 2.1.1 有限元法17-18
• 2.1.2 DEFORM-3D软件18
• 2.2 二次开发技术18-22
• 2.2.1 自定义数据19-20
• 2.2.2 二次开发模块20-22
• 2.3 运动控制子程序开发22-32
• 2.3.1 速度计算22-26
• 2.3.2 刀触点轨迹离散26-28
• 2.3.3 环曲面数据文件生成28-31
• 2.3.4 程序编译31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 慢刀伺服车削表面粗糙度预测33-47
• 3.1 有限元建模33-39
• 3.1.1 刚塑性有限元理论及分析流程33-34
• 3.1.2 几何模型34-35
• 3.1.3 材料本构方程35-37
• 3.1.4 网格划分37-38
• 3.1.5 摩擦力模型38-39
• 3.1.6 分离准则39
• 3.2 表面粗糙度预测39-44
• 3.2.1 预测机理39-40
• 3.2.2 结果及分析40-44
• 3.3 试验验证44-45
• 3.3.1 试验装置44-45
• 3.3.2 试验结果45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 慢刀伺服车削工艺优化47-59
• 4.1 响应曲面法简介47-48
• 4.2 试验设计及试验结果48-51
• 4.2.1 试验设计48-50
• 4.2.2 试验结果50-51
• 4.3 响应曲面法建模及模型优化51-53
• 4.3.1 模型建立51-52
• 4.3.2 模型优化52-53
• 4.4 结果分析与讨论53-58
• 4.4.1 模型检验53-55
• 4.4.2 交互项分析55
• 4.4.3 扰动分析55-56
• 4.4.4 参数优化及试验验证56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 典型曲面慢刀伺服车削试验59-67
• 5.1 慢刀伺服数控工艺软件59
• 5.2 球面加工试验59-61
• 5.2.1 工件尺寸及工艺参数59-60
• 5.2.2 加工结果与分析60-61
• 5.3 渐进多焦点曲面加工试验61-65
• 5.3.1 渐进多焦点曲面数学模型61-64
• 5.3.2 工件尺寸及工艺参数64-65
• 5.3.3 加工结果与分析65
• 5.4 本章小结65-67
• 第六章 总结与展望67-69
• 6.1 工作总结67-68
• 6.2 研究展望68-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-75
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文75

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本文编号：777010