基于floyd算法的整体立铣刀刃形节能优化设计及排屑性能研究

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1、分类号学号M201170423学校代码10487密级硕士学位论文基于Floyd算法的整体立铣刀刃形节能优化设计及排屑性能研究学位申请人：毕煌圣学科专业：机械制造及其自动化指导教师：熊良山副教授答辩日期：2014年1月14日万方数据华中科技大学硕士学位论文AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringEnergy-savingOptimizationofSolidEndMillCut

2、tingEdgeBasedonFloydAlgorithmandResearchonChip-ejectionAnalysisCandidate:BiHuangshengMajor:MechanicalManufacturingandAutomationSupervisor:A.P.XiongLiangshanHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJan,2014I万方数据华中科技大学硕士学位论文II万方数据华

3、中科技大学硕士学位论文摘要立铣刀是一种使用量很大、形状复杂的回转型刀具，由于认识误区和长期重视不够，目前我国自主设计的立铣刀结构仍然停留在主要依靠经验的几何设计阶段。针对不同的工况，采用标准的圆柱面螺旋刃形往往会造成铣削力偏高，加工效率低下和资源能源大量浪费。为此，本文以提高立铣刀铣削性能、降低切削能耗为目标，应用“平面表像法”、“单元刀具线性综合法”和考虑刀具排屑干涉的“非线性综合法”理论，结合道路交通领域最短路径算法对立铣刀刃形进行节能优化设计并对其排屑性能进行研究，具体内容如下：首先，通过普通螺旋立

4、铣刀的端面截形建立了前刀面、后刀面及螺旋切削刃的参数方程，对立铣刀逆铣过程进行运动分析并结合平面表像法，建立了任意刃形立铣刀工作切削角度的通用计算模型。其次，设计了两组单元刀具斜角切削正交实验，采用最小二乘法拟合单元刀具三维切削力经验模型。应用瞬时刚性力学模型和线性综合法分析了普通螺旋立铣刀铣削力建模方法，在此基础之上建立了任意刃形立铣刀铣削功率模型。在普通螺旋立铣刀前刀面刃形优化区内划分网格，求得前刀面上以切削功率赋值的有向网络邻接矩阵，并在MATLAB平台上应用Floyd算法实现了以铣削功率最小为目标

5、的刃形曲线搜索。计算结果显示，采用不同的铣削用量，优化后的螺旋立铣刀与普通螺旋立铣刀相比铣削功率平均下降25.46%，节能效果良好。最后，设计了四组具有不同前角和刃形角的双刃V形车刀横切圆盘形工件的外圆车削实验。通过实验结果分析了刀具前角、刃形角(排屑方向干涉)、工件直径(排屑速度干涉)、刃倾角(疏导排屑减小干涉)和自然分屑现象对刀具主切削力(功率)的影响规律。建立了不同前角下考虑排屑干涉影响的切削力(功率)经验模型，通过GA算法求得了普通立铣刀和优化立铣刀理论非自由度系数分别为1.17和1.06，在给定

6、的铣削条件下考虑到主刃各部分之间的排屑干涉，优化立铣刀实际铣削功率相对下降可达30.49%，在排屑性能上要优于普通立铣刀，节能潜力巨大。关键词：立铣刀；节能优化；几何建模；切削力；铣削功率；排屑干涉III万方数据华中科技大学硕士学位论文AbstractEndmillingcutters,alsoknownasendmills,arewidelyusedandcomplex-shapedrotarycuttersinmodernmechanicalmanufacturingindustry.Duetothe

7、inadequateunderstanding,theendmillswhichareself-designedbyourcountryatpresentarestillinthestateofsimplegeometricdesignrelysmainlyonexperience.Fordifferentconditions,usingstandardspiralcuttingedgeincylindricalsurfacemaybringabouthighmillingforce,alowmachin

8、ingefficiencyandhugewasteofenergy.Asforthisproblem,thispaperaimstoimprovetheendmillperformanceandreduceenergyconsumption.TheauthoradvancesamethodfortheoptimumdesignofthehelicalendmillcuttingedgedistributionbyusingPl