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自由曲面高速铣削工艺规划与自主决策技术

作　者: 张忠松
导　师: 王义强
学　校: 吉林大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 高速加工切削参数自由曲面自主决策球头铣刀
分类号: TG54
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高速加工技术经过几十年发展,以其独有的技术特点,广泛应用于各个领域。目前,高速加工设备越来越受到企业青睐,在某些行业的产品生产中具有不可替代作用,如模具制造、航空航天产品制造等。实际生产加工中,工件的自由曲面越来越多,对表面质量和加工效率要求越来越高。高速加工技术的使用经验较少;工艺理论研究相对不足;高速加工工艺的智能决策技术水平还不高;工艺的制定多依赖于实际生产经验的积累,效率较低,受生产地点限制。为解决以上问题,最大限度的发挥高速加工的优势,对自由曲面高速加工的工艺规划和自主决策技术进行深入研究已经势在必行。高速加工切削参数的研究是高速加工工艺自主决策的前提条件,也是高速加工工艺参数自主决策的判断基础和依据,决策理论和方法是自主决策的必备条件。本文在对国内外自由曲面高速加工的工艺技术和自主决策技术的研究现状与发展趋势进行分析的基础上,以自由曲面的高速铣削工艺为核心,以实现工件材料高速铣削的工艺自主决策为目标,进行了深入研究。主要研究内容、采用方法和结论如下:(1)在典型工件材料高速切削试验基础上,对高速铣削的切削参数及其交互影响项与表面粗糙度间的关系进行了研究。针对试验室试验、随机数据和生产数据的数据特点,采用了不同的试验和数据处理办法,并进行了对比分析。利用试验数据,对相关切削参数进行了回归分析,获得相应公式;深入讨论了各工艺参数对表面粗糙度的影响,并对切削参数间的交互作用对表面粗糙度的影响进行了分析。研究了球头铣刀高速铣削倾角变化对表面质量的影响规律。分析表明,在试验参数范围内,铣刀倾角对表面粗糙度的影响最显著,影响规律为:当倾角由0度开始到25度变大,表面粗糙度由急剧变坏到急剧变好;讨论分析了最差切削倾角的形成原因,并进行了确定。(2)对切削参数进行了规划,讨论了曲面加工中的相关约束条件。对轴负载力和轴加速度与进给速度的关系进行了分析;对轴约束下的高速加工S曲线进给进行了速度规划;根据环形铣刀的可铣充分条件,推导了球头铣刀可铣充分条件;本文用等价圆弧拟合工件表面曲线,并推导得到球头铣刀三轴铣削自由曲面的径向进给公式,对于曲率变化大的的情况,如一些拐角,根据待加工曲面上曲线与球头铣刀刀心间的几何关系,用等距线的矢量方程来描述其生成的轨迹,提出了精确的径向进给确定方法。(3)对高速加工中刀具的寿命进行了估计。根据相对Miner理论,在已知其他刀具寿命,且与当前刀具相似、负载相似的基础上,对当前刀具寿命进行了确定。在当前高速切削刀具寿命数据较少的情况下,可以避免加工中途换刀,提高刀具使用效率,减少刀具寿命试验,具有很强实用性;针对相对Miner理论使用的前提条件,本文根据刀具材料自身属性和刀具的形状特点,对刀具间的相似性进行判定;利用粗糙集理论中的容差关系,对缺失数据进行补足或舍弃,可以尽量的减少有限的刀具属性数据缺失带来的不利影响。提出了一种工件材料连续属性离散方法。针对数据处理中工件材料的连续属性需要离散化处理问题,本文对影响灰色绝对关联度的数据离散区间进行了分析,结合灰熵定义,对连续数据区间的均衡度进行了确定。在此基础上,提出了一种多阶段的基于灰色绝对关联度和灰熵的动态离散方法,可以在不破坏数据间分类能力基础上,对连续属性进行离散;结合灰色绝对关联度的关于空缺值的定理,以及粗糙集的属性约简办法,对不完备信息的工件材料属性进行了约简,并获得唯一的属性相对约简组合。(4)对高速加工工艺参数的自主决策方法进行了研究,提出了三种适用于自由曲面高速精加工工艺自主决策的方法。对于几个给定的工艺方案优选情况,采用了改进的层次分析法进行决策判断,并根据高速铣削中生产规律,重新给出确定权重的方法,提高了使用精度;对于已知切削参数与表面粗擦度的回归关系的情况,应用数学规划的方法进行了切削参数优化;对于切削参数未知的给定材料切削,本文考虑了切削环境的影响,首先以最近邻算法,对以材料可切削性和以刀具规格为代表的切削环境进行相似度计算,并获得相似范例,进而采用最小二乘支持向量机算法,进行范例推理的工艺自主决策。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-15
第一章绪论  15-27
  1.1 课题研究背景与意义  15-16
  1.2 自由曲面高速加工工艺研究现状  16-22
    1.2.1 自由曲面高速切削试验研究现状  16-20
    1.2.2 自由曲面高速加工工艺研究现状  20-22
  1.3 自由曲面高速加工工艺决策研究现状  22-25
    1.3.1 自由曲面高速加工工艺决策方法和理论研究现状  22-24
    1.3.2 高速加工工艺决策的软件模块使用现状  24-25
  1.4 本文主要研究内容  25-27
第二章高速铣削参数对表面粗糙度影响规律试验研究  27-47
  2.1 45#钢高速切削试验及分析  27-32
    2.1.1 45#钢高速切削试验设计  27-28
    2.1.2 45#钢高速切削试验结果及数据预处理  28-29
    2.1.3 45#钢高速切削表面粗糙度回归模型的建立  29-32
  2.2 T10 钢的高速铣削试验及其分析  32-36
    2.2.1 T10 钢的高速铣削试验方案  32-34
    2.2.2 T10 钢二次回归的均匀精度旋转中心组合设计的粗糙度试验  34-36
  2.3 试验方法的对比分析  36-37
  2.4 切削参数及其交互项对表面粗糙度的影响分析  37-46
    2.4.1 径向进给及其交互项对表面粗糙度的影响分析  37-40
    2.4.2 主轴转速对表面粗糙度的影响  40-42
    2.4.3 进给速度对表面粗糙度的影响  42-43
    2.4.4 轴向进给对表面粗糙度的影响  43
    2.4.5 切削参数交互项对表面粗糙度的影响分析  43-46
  2.5 小结  46-47
第三章高速铣削中球头铣刀倾角对表面粗糙度影响的研究  47-54
  3.1 高速铣削中球头铣刀倾角切削试验方案  47-48
    3.1.1 试验设备  47
    3.1.2 试验方法  47
    3.1.3 试验参数  47-48
  3.2 高速铣削中球头铣刀倾角对表面粗糙度影响试验的回归分析  48-51
    3.2.1 回归模型的建立  48-50
    3.2.2 数据预处理  50
    3.2.3 基于经验公式的回归分析及显著性检验  50
    3.2.4 回归系数检验  50-51
  3.3 球头铣刀倾角对表面粗糙度的影响分析  51-53
  3.4 小结  53-54
第四章球头铣刀高速铣削曲面切削参数规划  54-86
  4.1 球头铣刀高速铣削自由曲面的径向进给确定  54-62
    4.1.1 残留高度补偿  54-57
    4.1.2 基于等距线的加工行距和径向进给的确定  57-59
    4.1.3 基于等价圆弧的球头铣刀径向进给近似确定  59-62
  4.2 轴约束下的自由曲面高速加工S 曲线加减速规划  62-82
    4.2.1 高速自由曲面加工速度和加速度特性  62-64
    4.2.2 S 曲线速度规划阶段特点和分析  64-65
    4.2.3 匀速进给速度与轴负载力和加速度的特性分析  65-68
    4.2.4 匀加速进给速度与轴负载力和加速度的特性分析  68-71
    4.2.5 匀减速进给速度与轴负载力和加速度的特性分析  71-74
    4.2.6 变加、减速阶段速度、加速度的特点  74-75
    4.2.7 轴约束下的自由曲面高速加工的S 曲线加减速规划策略  75-78
    4.2.8 算例  78-82
  4.3 三轴加工自由曲面的径向进给方向刀具姿态  82-83
  4.4 球头铣刀局部可铣的充分条件  83-84
  4.5 小结  84-86
第五章高速铣削球头铣刀相似性及寿命估计  86-94
  5.1 相对 Miner 理论在刀具寿命估计的使用要求  86-87
  5.2 刀具的相似性判断  87-90
    5.2.1 高速加工球头铣刀裂纹产生的影响因素  87
    5.2.2 粗糙集不完备信息的容差关系  87-88
    5.2.3 灰色绝对关联度及其相关性质  88-89
    5.2.4 判断方法和步骤  89
    5.2.5 算例  89-90
  5.3 载荷的相似性判定  90-92
    5.3.1 Spearman 相关系数检验  90
    5.3.2 载荷的确定  90-91
    5.3.3 算例  91-92
  5.4 刀具寿命估计算例  92-93
  5.5 小结  93-94
第六章工件材料切削性判断  94-104
  6.1 工件连续属性的离散  94-101
    6.1.1 灰色绝对关联度及其影响因素  94-97
    6.1.2 基于灰熵的均衡度指标  97-98
    6.1.3 基于灰色绝对关联度和灰熵均衡度的动态离散方法  98-99
    6.1.4 属性离散算例  99-101
  6.2 基于粗糙集的工件属性约简  101
  6.3 基于不完备信息的材料切削性判断  101-102
  6.4 算例  102
  6.5 小结  102-104
第七章自由曲面高速铣削的工艺优化及决策  104-118
  7.1 基于层次分析法的切削方案优选  104-109
    7.1.1 层次结构模型的建立  105
    7.1.2 判断矩阵的构造  105-108
    7.1.3 判断矩阵的检验  108-109
    7.1.4 层次加权  109
  7.2 基于数学模型的切削参数非线性规划决策  109-111
    7.2.1 指数形式表面粗糙度模型的切削参数线性规划  110
    7.2.2 多元二次表面粗糙度模型的切削参数规划  110-111
    7.2.3 算例  111
  7.3 基于最小二乘支持向量机范例推理的工艺参数决策  111-117
    7.3.1 最小二乘支持向量机算法  112-114
    7.3.2 范例检索  114-115
    7.3.3 范例推理及预测模型  115-116
    7.3.4 算例  116-117
  7.4 小结  117-118
第八章全文总结  118-122
  8.1 主要结论  118-120
  8.2 主要创新性工作  120-121
  8.3 研究展望  121-122
参考文献  122-127
作者简介及在学期间所取得的科研成果  127-128
致谢  128

自由曲面高速铣削工艺规划与自主决策技术

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