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不等齿距立铣刀铣削力建模与关键结构参数及工艺优化

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不等齿距立铣刀铣削力建模与关键结构参数及工艺优化

作者：司博文哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

不等齿距立铣刀由于其齿间角和螺旋角不等分布,会改变铣刀铣削力的频谱特性,使频谱线密度增多,铣削能量在频域上更加分散,因此在降低铣削振动,提高铣削稳定性上有较强的优势。而面向不同工况,要想在保证加工效率的前提下充分发挥不等齿... 详细信息

不等齿距立铣刀由于其齿间角和螺旋角不等分布,会改变铣刀铣削力的频谱特性,使频谱线密度增多,铣削能量在频域上更加分散,因此在降低铣削振动,提高铣削稳定性上有较强的优势。而面向不同工况,要想在保证加工效率的前提下充分发挥不等齿距立铣刀的抑振性能,不仅要有合理的刀具结构参数,还需要有相应的工艺参数与之配合。为此,本文基于刀刃的真实轨迹建立不等齿距立铣刀的瞬时铣削力模型,针对铝合金Al7075-T6和钛合金TC4两种典型材料标定其铣削力系数,在此基础上,分析不等齿距立铣刀的减振机理,以保证加工效率和降低铣削振动为目标,分别对不等齿距立铣刀在侧铣、槽铣两种典型材料时,刀具的齿间角、螺旋角关键参数以及相匹配的工艺参数进行优化分析。主要研究内容如下:首先,根据不等齿距立铣刀铣削过程及其再生效应,建立基于真实刀刃轨迹的瞬时铣削厚度模型;通过在刚性力模型的基础上引入瞬时铣削厚度建立瞬时铣削力模型,并以平均铣削力法建立铣削力系数表达式,为后续优化分析提供理论基础。其次,进行不等齿距立铣刀铣削典型材料有限元仿真,根据仿真结果拟合铝合金Al7075-T6以及钛合金TC4材料的铣削力系数;通过实验验证仿真结果和瞬时铣削力模型的准确性,并探究通过有限元仿真方法标定铣削力系数的可行性;根据瞬时铣削力模型,分析不同的铣刀齿间角、螺旋角结构和铣削参数对铣削力的影响规律,为后续优化过程中约束条件的确定提供参考。然后,根据所建立的瞬时铣削力模型,将铣削力时域信号进行离散傅里叶变换,从频谱能量分布的角度分析不等齿距立铣刀的减振机理;以保证加工效率和降低铣削振动为目标,分别建立其对应的目标函数,利用NSGA-Ⅱ算法,对不同加工材料和铣削方式下不等齿距立铣刀的关键结构和工艺参数进行多目标优化,得出合适的刀具关键结构参数及与之相匹配的工艺参数。最后,根据优化结果对不同工况下不等齿距立铣刀进行设计;采用五轴数控磨床,分别磨制出满足需求的不等齿距立铣刀及与之相对应的等齿距立铣刀;利用磨制出的铣刀开展铣削实验研究,验证所设计的不等齿距立铣刀及其相应工艺参数的有效性,同时,对比分析等齿距立铣刀与不等齿距立铣刀在铣削力及铣削振动上的差距,验证不等齿距立铣刀在提高铣削稳定性上的优越性。

关键词：不等齿距立铣刀铣削力建模齿间角螺旋角工艺参数

考虑后刀面磨损及过缝冲击的拼接模具铣削力建模与实验研究

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振动与冲击 2019年第17期38卷 284-291页

作者：岳彩旭都建标姜男高海宁朱磊刘献礼哈尔滨理工大学机械动力工程学院

针对拼接模具铣削过程中刀具易磨损引起铣削力变化的问题,对拼接模具铣削加工过程,提出了一种考虑球头刀后刀面磨损的铣削力建模方法。根据材料硬度的不同,把每一切削周期的切削厚度建成有关切削角度的函数关系,得到不同切削角度下的剪... 详细信息

针对拼接模具铣削过程中刀具易磨损引起铣削力变化的问题,对拼接模具铣削加工过程,提出了一种考虑球头刀后刀面磨损的铣削力建模方法。根据材料硬度的不同,把每一切削周期的切削厚度建成有关切削角度的函数关系,得到不同切削角度下的剪切力模型;同时将后刀面的摩擦效应力与后刀面磨损量建立函数关系,进而得到了不同切削角度下的摩擦效应力模型;最后通过引入单自由度斜体碰撞模型,采用等效弹簧阻尼法和霍普金森实验得到了冲击力模型。结合剪切力模型、摩擦效应力模型与冲击力模型得到了考虑后刀面磨损的拼接过缝处铣削力模型,最后对多硬度淬硬钢进行了铣削力实验。实验结果表明预测的铣削力幅值和变化趋势与实验值具有很好的一致性,验证了该铣削力建模方法的有效性,对拼接模具铣削加工工艺优化具有一定的理论指导意义。

关键词：铣削力建模刀具磨损多硬度拼接淬硬钢模具过缝冲击

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CFRP铣削力建模研究

南京航空航天大学学报 2019年第3期51卷 272-280页

作者：万敏李少恩原恒杜宇轩西北工业大学机电学院

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer/plastic,CFRP)由于其不均匀性和各向异性的材料特性,在铣削加工过程中容易出现各种缺陷。铣削力建模有助于探究CFRP的铣削力变化规律、优化加工参数,进而减少缺陷的产生。本文基于... 详细信息

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer/plastic,CFRP)由于其不均匀性和各向异性的材料特性,在铣削加工过程中容易出现各种缺陷。铣削力建模有助于探究CFRP的铣削力变化规律、优化加工参数,进而减少缺陷的产生。本文基于多元非线性回归的方法,建立了铣削力系数关于4种影响因素(纤维切削角、瞬时未变形切屑厚度、主轴转速和轴向切深)的函数关系。经过单向CFRP铣削力实验和多向CFRP铣削力实验验证,所建模型可以较准确地预测铣削力变化规律。

关键词：碳纤维复合材料铣削力建模纤维切削角瞬时未变形切屑厚度主轴转速轴向切深

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三轴铣削力混合建模方法研究与应用

三轴铣削力混合建模方法研究与应用

作者：李世昊华中科技大学

学位级别：硕士

在铣削加工过程中,铣削力是判断刀具状态、衡量机床寿命的重要参数。实现对加工过程中刀具铣削力变化情况的预测,在控制刀具寿命、稳定机床负载等方面有重要作用。但目前在铣削力建模领域,构建的模型存在着泛化能力弱、数据需求量大等... 详细信息

在铣削加工过程中,铣削力是判断刀具状态、衡量机床寿命的重要参数。实现对加工过程中刀具铣削力变化情况的预测,在控制刀具寿命、稳定机床负载等方面有重要作用。但目前在铣削力建模领域,构建的模型存在着泛化能力弱、数据需求量大等问题。针对以上问题及铣削加工特点,本文从降低建模过程实验数据需求量和保持较高模型精度的目标出发,以基于铣削加工机理的理论模型和数据驱动方法的大数据模型为基础,提出了两种混合建模方法,在使用少量实验数据的条件下建立了两种球头铣刀三轴铣削力混合模型,并利用混合模型实现了加工过程进给速度优化。具体研究内容如下:1.构建考虑刀具了径向偏心的球头铣刀三轴铣削力理论模型。模型构建过程以半解析法为基础,考虑刀具径向偏心的影响,使用平均力系数标定法确定铣削力系数。2.构建了球头铣刀三轴铣削力数据驱动模型。模型以工艺参数图片为输入,以卷积神经网络作为建模手段,有效利用卷积神经网络多维数据处理能力,拟合不同工艺参数与三轴铣削力之间的非线性关系。3.构建了球头铣刀三轴铣削力混合模型。建模过程引入迁移学习思想,使用Finetune和Tr Ada Boost方法分别在模型层面、样本层面将理论模型和数据驱动模型较好结合。4.利用构建的混合模型实现了铣削加工过程进给速度优化。优化过程以铣削合力波动情况为优化目标,使用理论模型寻找可行进给速度,使用混合模型进行验证。经实验测试,本文构建的理论模型仿真结果误差小于16%,大数据模型及两种混合模型效果均优于理论模型,预测误差小于12%,且混合模型相比于大数据模型实验数据需求量减小90%。同时在模型应用层面,经自由曲线优化案例测试,利用混合模型进行进给速度优化后,铣削力合力最大值波动情况改善明显。

关键词：数控加工铣削力建模混合模型卷积神经网络进给速度优化

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基于真实运动轨迹螺旋立铣刀铣削力建模

技术与市场 2023年第12期30卷 50-53页

作者：叶子银李军包虎子张锦淇俞弘宇长安大学工程机械学院陕西西安710000

为建立使用范围更为广泛的未变形切屑厚度模型,得到更精确的预测铣削力,根据螺旋立铣刀真实运动轨迹,建立刀齿运动方程,利用该方程建立未变形切屑厚度计算模型。对比不同每齿进给量下传统模型与新建模型计算的未变形切屑厚度值与铣削力... 详细信息

为建立使用范围更为广泛的未变形切屑厚度模型,得到更精确的预测铣削力,根据螺旋立铣刀真实运动轨迹,建立刀齿运动方程,利用该方程建立未变形切屑厚度计算模型。对比不同每齿进给量下传统模型与新建模型计算的未变形切屑厚度值与铣削力值,结果表明:传统模型计算出的未变形切屑厚度值较所建立的模型计算值总体偏小,且前者计算的铣削力较试验值偏小,后者更接近试验值,因此所建模型预测铣削力拥有更高预测精度。

关键词：铣刀真实运动轨迹未变形切屑厚度铣削力建模

考虑刀具底刃切削的CFRP铣削力精确建模研究

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机械科学与技术 2018年第4期37卷 560-567页

作者：庆华楠和延立张圣光朱胜伟王大振西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室西安710072

针对碳纤维复合材料(CFRP)铣削提出了一种切削力精确建模方法,即考虑刀具底刃切削作用的铣削力机械模型,通过实验识别底刃和侧刃的切削力并分析了切削力变化规律,建立了切削力系数关于瞬时切削厚度、纤维切削角及切削速度的BP神经网络模... 详细信息

针对碳纤维复合材料(CFRP)铣削提出了一种切削力精确建模方法,即考虑刀具底刃切削作用的铣削力机械模型,通过实验识别底刃和侧刃的切削力并分析了切削力变化规律,建立了切削力系数关于瞬时切削厚度、纤维切削角及切削速度的BP神经网络模型,进一步实现了对铣削力的预测。单向板和多向板的铣削验证实验表明考虑刀具底刃因素可以提高切削力预测的准确性,同时也验证了BP神经网络在CFRP切削力建模中的可行性。

关键词：铣削力预测纤维切削角铣削力建模 BP神经网络

R铣刀精确铣削力建模的机匣铣削让刀仿真研究

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现代制造工程 2018年第11期 38-43页

作者：于金王胤棋邵会超沈阳航空航天大学机电工程学院沈阳110136

采用Python脚本语言对ABAQUS软件的前处理模块进行二次开发,将铣削力依次加载到铣削区域各点,获得延伸机匣由让刀引起的加工变形数据。利用机械力学模型,综合考虑前刀面剪切效应和后刀面犁切效应对R铣刀铣削力进行精确建模。仿真结果符... 详细信息

采用Python脚本语言对ABAQUS软件的前处理模块进行二次开发,将铣削力依次加载到铣削区域各点,获得延伸机匣由让刀引起的加工变形数据。利用机械力学模型,综合考虑前刀面剪切效应和后刀面犁切效应对R铣刀铣削力进行精确建模。仿真结果符合实验加工中的让刀情况,证明了该铣削力模型和仿真方法适用于机匣薄壁零件的加工让刀预测,研究结果对此类零件的工装设计提供了理论指导。

关键词：机匣让刀误差铣削力建模 R铣刀 ABAQUS二次开发

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铣削力的傅立叶级数建模与实验

机械设计与研究 2013年第5期29卷 49-52页

作者：汪永翔杜正春上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

建立了一种采用傅立叶级数的铣削力模型用以描述铣削加工过程的物理状态,考虑了铣削过程的剪切机制与犁切机制,建立了沿刀具轴向的微元刀刃的铣削力模型,通过傅立叶变换将刀具总的铣削力表示为傅立叶级数形式。给出了通过槽铣实验的平... 详细信息

建立了一种采用傅立叶级数的铣削力模型用以描述铣削加工过程的物理状态,考虑了铣削过程的剪切机制与犁切机制,建立了沿刀具轴向的微元刀刃的铣削力模型,通过傅立叶变换将刀具总的铣削力表示为傅立叶级数形式。给出了通过槽铣实验的平均铣削力回归切削力系数的方法,采用测力仪在数控机床上进行了铣削实验,通过实验数据回归出了立铣刀的切削系数,对比了模型预测值和实验实测值,结果吻合良好,从而验证了铣削力模型。

关键词：数控铣削傅立叶级数铣削力建模回归分析

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汽车模具拐角加工铣削力建模及仿真

哈尔滨理工大学学报 2016年第4期21卷 50-58页

作者：季思慧刘献礼李茂月王广越石垒丁文彬哈尔滨理工大学机械动力工程学院黑龙江哈尔滨150080

针对数控加工汽车模具型腔中的典型特征拐角时,由于刀具切削余量的增加引起刀具振动加大、噪声加剧、铣削力变化明显及刀具与加工表面挤压加大产生振颤,造成刀具刚性不足、使用寿命降低、加工型面表面粗糙度不均等问题.以汽车模具典型... 详细信息

针对数控加工汽车模具型腔中的典型特征拐角时,由于刀具切削余量的增加引起刀具振动加大、噪声加剧、铣削力变化明显及刀具与加工表面挤压加大产生振颤,造成刀具刚性不足、使用寿命降低、加工型面表面粗糙度不均等问题.以汽车模具典型特征拐角为研究对象,依据任意角度铣削拐角几何关系,采用有限元模拟分析方法,进行铣削力建模及仿真.首先建立任意角度拐角铣削过程平均切削厚度计算模型,然后进行铣削力系数识别试验确定铣削力系数;其次结合铣削厚度公式及铣削力系数,建立平底立铣刀拐角加工过程建立瞬态铣削力数学模型;最后对拐角瞬态铣削力进行仿真预测,并与拐角铣削加工试验结果对比.结果表明,仿真软件能有效预测拐角铣削力,为切削参数优选提供参考和理论支撑.

关键词：汽车模具拐角铣削力建模仿真预测