基于热缩加长刀杆的深型腔模具高速铣削加工基础技术研究

The design theory and method for the lengthened shrink-fit holder, which suitable for high-speed milling of the mold with deep cavity, will be set up using the multi-disciplinary theories and methods shch as the cutting theory, the materials science, the mechanics and the finite element technology. A new structure lengthened shrink-fit holder will be developed. Based on the above, the mechanics and dynamics model of the processing system including the lengthened shrink-fit holder will be established, and at the same time the appropriate test platform will be set up too to validate the model. Due to the exploration of the deformation mechanism of the mold with deep cavity in high-speed milling process, the deformation prediction model based on the thermal-force coupling mechanism will be established and the processing and tool path optimization etc will be taken into account to seek the effective way to inhibit the deformation. Taking the above optimization results as the input conditions and the forecast results of the mechanics and dynamics model as the physical constraints, a error compensation method will be established based on the equilibrium iteration of the milling force and the deformation. Ultimately, this project will provide a new solution for the high-speed, high efficiency, high-precision processing of the mold with deep cavity and promote the development and progress of the high-speed machining technology of China.

综合运用切削理论、材料科学、力学和有限元技术等多学科理论和方法，建立适合于大型深型腔模具高速铣削加工用热缩加长刀杆的设计理论和方法，研制开发出新型结构的热缩加长刀杆，在此基础上建立包含热缩加长刀杆的加工系统的力学与动力学模型，以及相应的测试平台对模型进行验证；探索大型深型腔模具工件高速铣削加工变形机理，建立基于热、力偶合作用机制下的变形预测模型，从加工工艺、刀具轨迹优化等方面寻求抑制变形的有效方法；以上述优化结果为输入条件，以力学与动力学模型预测结果为物理约束，建立基于力与变形平衡迭代的大型深型腔模具高速铣削加工变形误差补偿方法。为大型深型腔模具的高速、高效、高精度加工提供新的解决途径，推进我国高速加工技术的发展和进步。

随着我国家用电器、汽车工业的发展，对汽车仪表盘、洗衣机外壳等的深型腔注塑模具的需求越来越大，传统的加工方式已很难满足日益加剧的市场竞争及对此类模具越来越高的质量要求。为了提高深型腔模具的加工效率与加工质量，本项目结合有限元技术与高速铣削加工实验，对适合深型腔模具高速铣削加工用热缩加长刀杆刀具系统展开了系统研究。首先，借助非线性有限元技术，构建了刀柄-热缩加长刀杆-刀具系统的参数化有限元模型并进行了实验验证，分析了热缩加长刀杆壁厚、锥角、配合长度、内径等因素对接触特性的影响并给出了优化控制方法，给出了配合公差与最小装夹温度之间的计算关系式，为热缩加长刀杆的设计与使用提供理论指导；其次，对热缩加长刀杆微小夹持孔进行了高速钻削加工实验研究，建立了基于多传感器信号融合的钻孔质量控制与检测方法，为热缩加长刀杆的试制提供了前期技术保证；第三是建立了含热缩加长刀杆加工系统的动力学和瞬态动力学模型，并建立了相应的测试平台，为加工工艺的优化和加工变形误差补偿提了供物理约束条件；第四是建立了基于力与变形平衡迭代算法的加工变形误差补偿模型和方法，加工实验表明最大加工变形误差与未补偿加工相比降低了77.4%；第五是开展了刀柄-热缩刀杆-刀具系统切削性能的实验研究，建立了加工表面粗糙度预测模型，预测误差在1.58%-16.72%之间，具有较高的预测精度，并在相同加工参数条件下与其它刀具夹持方式进行了对比，结果表明热缩刀杆-刀具系统具有更优异的切削性能；最后，进行了高速干切削预硬模具钢刀具方面的研究，所研制的自润滑陶瓷刀具材料BNC的维氏硬度、抗弯强度、断裂韧性等力学性能分值别达到了18.55 Gpa、872.6 MPa、7.1 MPa∙m1/2，大大优于普通陶瓷刀具材料，为实现深型腔模具的绿色制造提供了可能。本项目的研究表明热缩加长刀杆刀具系统是实现深型腔模具高效、高质量加工的有效途径，对我国高速加工技术的发展具有一定的推动作用。