摘要
微型结构零件广泛应用于航空航天、医疗器械、电子信息等诸多领域中，因其具有体积小、精度高、形状轮廓复杂等特点，使得加工过程困难且加工效率低。目前，微径球头铣刀的微细铣削作为加工微小型曲面类零件的重要技术手段，其加工微小斜面和曲面的能力优于常规微径平底铣刀，因此逐渐得到了广泛的关注。与传统平底铣刀不同，微径球头铣刀切削刃螺旋角随轴向高度不断发生变化，其变化的螺旋角也增大了分析微细铣削过程和预测微铣削力的难度。为解决上述问题，本文从微径球头铣刀的几何建模、微元微切削和全槽微细铣削的有限元建模、微铣削力预测、工艺参数对表面形貌的影响规律、工艺参数优化等方面展开了研究。本文的主要研究内容如下： 首先，结合切削刃曲线方程和实际测量数据建立准确的微径球头铣刀模型，并沿刀具轴向离散得到多组厚度均等的刀具切削微元。根据切削刃微细铣削过程中真实的摆线运动轨迹，建立与刀具微元轴向高度位置相对应的工件微元模型。在进一步讨论材料属性、网格划分和边界条件设置基础上，实现切削微元单刃斜角切削的有限元仿真。 其次，以微元切削仿真得到的微切削力数据为基础，利用回归分析得到每齿进给量一定前提下，与轴向高度和刀具旋转角度有关的微元单位切削力，然后采用积分求和实现微铣削力预测。并通过试验对比分析表明微铣削力预测值与实测值具有较高吻合度。 再次，提出一种全槽微细铣削有限元仿真与回归分析法相结合分析方法，建立了微铣削力预测经验数学模型，通过改变工艺参数组合可以实现微铣削力的快速预测。建立微径球头铣刀全槽微细铣削有限元模型，得到不同工艺参数组合下的微铣削力数据，以仿真数据为基础，通过回归分析法建立预测微铣削力峰值的经验模型，其拟合优度分析表明预测模型具有较好的准确度和可靠性。 最后，为在保证工件工艺质量满足要求情况的下，减小刀具因铣削力过大导致的刀具磨损，从而降低换刀所需的时间成本，提出了一种基于遗传算法的工艺参数优化方法。通过试验研究了工艺参数对工件表面形貌的影响规律，制定出在满足最大表面粗糙度的条件下，三向铣削力最小的优化目标，通过多目标遗传算法实现非线性约束函数的工艺优化。通过优化前后对比，综合验证了本文优化方法的可靠性。
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