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基于重型机床大型零件铣削加工性能及参数优化的研究

作　者: 陈婷婷
导　师: 郭旭红
学　校: 苏州大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 灰铸铁铣削机理遗传算法参数优化大型零件
分类号: TG54
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 45次
引　用: 1次
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内容摘要

机械加工工艺设计中,合理的切削参数选择对于产品的质量、生产率、生产成本以及设备利用率等有着很大的影响。传统的依靠经验数据和查阅手册获取的切削参数进行的生产加工效率低下,加工成本偏高。因此,在基于材料切削加工性能的基础上引入先进的智能优化算法获取优化工艺参数对于企业的生产加工有着重要的指导意义。本文以重型机床的大型零部件的精铣削加工过程为研究对象,分别采用涂层硬质合金刀具GC3220和GC1010对重型机床大型零件常用材料灰铸铁和表面淬火铸铁进行干式精铣削加工,综合不同切削参数下的切削力、已加工表面粗糙度、刀具磨损状况等方面研究采用较小背吃刀量、较大切削速度和进给量的轻快切削方式下材料的铣削加工性能和刀具磨损机理,分析各切削参数对切削力、表面粗糙度及刀具磨损量的影响规律并建立相应的数学模型;根据最优化设计方法和实际的切削加工状况建立铣削加工参数优化的模型,并通过遗传算法对指定目标函数进行优化,比较优化的切削参数与实际生产加工参数进行的单个工序的生产成本、加工效率以及表面质量,对实际的生产加工提出工艺改进方案,从而为企业的生产提供理论指导。本文的研究结果表明:1.在普通切削加工方式下,涂层硬质合金刀具GC3220以较小背吃刀量干式精铣削HT300的铣削速度应不高于475m/min,每齿进给量不高于0.54mm/z。切削速度的增大会使得加工表面粗糙度降低,但同时会引起切削力增大,刀具磨损加剧;每齿进给量的增大对切削力的影响幅度较小,但其增大引起表面粗糙度的不断增大,刀具到达特定磨损量时的切削时间减少,而总切削面积却不断增大;刀具磨损主要以粘结磨损、扩散磨损和涂层剥落为主,且切削速度越大,磨损越快。2.涂层硬质合金刀具GC1010干式精铣削表面淬火铸铁材料时,切削速度应不高于110m/min,每齿进给量不高于0.26mm/z。切削速度对切削力和表面粗糙度的影响最为显著,且在切削速度大于90m/min时精铣削加工基本上能获取小于0.8μm的表面粗糙度,满足零件表面的精加工要求。3.结合最优化设计理论和遗传算法原理,以及MATLAB中遗传算法用以解决非线性约束的多目标问题求解的方法,针对实际生产需求描述了切削参数优化中常见的优化目标问题和约束条件,并通过遗传算法对选定的约束条件下的特定目标进行优化求解,结果表明,遗传算法能够快速有效的解决此类复杂的非线性函数的寻优问题。4.在上述研究的基础上,针对华鼎重型机床厂目前的生产状况,对常见箱体类零件的特定平面的精铣削加工参数进行优化,优化的结果表明,在限定的刀具寿命前提下,以最大面积去除率、最短加工时间、最低生产成本为优化目标,均能在满足表面加工质量的前提下获取20倍以上的面积去除率,而切削时间只需原来的5%左右,加工成本也大幅降低,为原来的15%左右。5.针对华鼎重型机床厂机床床身导轨件的加工工艺,结合实验结果对导轨件的生产加工提出“以铣代刨,以铣代磨”的工艺改进方案,从而节约加工时间,大幅缩短产品的交付期,提升企业在市场中的竞争力。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-21
  1.1 课题背景  12-14
  1.2 课题研究现状  14-19
    1.2.1 大重型零件加工的研究现状  14-15
    1.2.2 灰铸铁切削加工研究现状  15-17
    1.2.3 工艺参数优化的研究现状  17-19
  1.3 论文研究目的、内容  19-21
第二章试验基本理论、试验内容与方法  21-30
  2.1 灰铸铁铣削试验基本理论与试验目的、内容  21-24
    2.1.1 切削加工性  21-22
    2.1.2 铣削要素  22
    2.1.3 铣削方式选择  22-23
    2.1.4 铣削试验的目的及内容  23-24
  2.2 铣削试验条件  24-30
    2.2.1 试验机床参数  24
    2.2.2 试验材料制备  24-26
    2.2.3 试验用刀具  26-27
    2.2.4 铣削测力系统  27-28
    2.2.5 表面粗糙度测量系统  28
    2.2.6 刀具磨损的测量系统  28-30
第三章铸铁铣削加工性能的试验研究  30-61
  3.1 铣削加工切削力的试验研究  30-42
    3.1.1 铣削力和铣削功率  30-32
    3.1.2 正交试验设计  32-37
    3.1.3 铣削力影响因素分析  37-39
    3.1.4 切削力经验模型建立  39-42
  3.2 铣削加工表面粗糙度的试验研究  42-46
    3.2.1 表面粗糙度的评价参数  42-43
    3.2.2 表面粗糙度的计算模型  43-44
    3.2.3 粗糙度试验结果与分析  44-45
    3.2.4 表面粗糙度影响因素分析  45-46
  3.3 刀具磨损和刀具寿命研究  46-56
    3.3.1 刀具磨损基本理论  46-48
    3.3.2 刀具寿命  48-49
    3.3.3 刀具磨损试验  49-56
  3.4 表面淬火灰铸铁铣削试验研究  56-59
    3.4.1 试验安排  56-57
    3.4.2 实验测量结果与模型建立  57-59
  3.5 本章小结  59-61
第四章铣削加工切削参数优化研究  61-78
  4.1 最优化方法概述  61-63
    4.1.1 最优化问题的一般形式  61-62
    4.1.2 多目标优化设计方法  62-63
  4.2 遗传算法基本理论简介  63-69
    4.2.1 遗传算法原理  63-64
    4.2.2 遗传算法的基本步骤  64-65
    4.2.3 遗传算法的MATLAB 实现  65-69
  4.3 切削参数优化模型建立  69-72
    4.3.1 优化目标函数  69-71
    4.3.2 优化约束条件  71-72
  4.4 试验目标函数建立及优化结果分析  72-77
    4.4.1 灰铸铁铣削的单目标优化  73-74
    4.4.2 灰铸铁铣削的多目标优化  74-75
    4.4.3 表面淬火铸铁的切削参数优化  75-77
  4.5 本章小结  77-78
第五章大、重型零件铣削工艺参数优化研究与应用  78-82
  5.1 箱体类零件铣削参数优化应用  78-80
    5.1.1 箱体类零件铣削加工现状  78-79
    5.1.2 箱体类铣削参数优化结果  79-80
  5.2 机床床身导轨零件铣削参数优化应用  80-81
    5.2.1 机床床身导轨生产现状  80
    5.2.2 床身导轨加工工艺改进方法  80-81
  5.3 本章小结  81-82
第六章结论与展望  82-85
  6.1 结论  82-83
  6.2 展望  83-85
参考文献  85-91
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文  91-92
致谢  92-93

基于重型机床大型零件铣削加工性能及参数优化的研究

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