力熱綜合作用下薄壁件銑削變形及補(bǔ)償研究.pdf

1、高精度薄壁件廣泛應(yīng)用于各種高科技領(lǐng)域，如宇航航空領(lǐng)域、造船潛艇領(lǐng)域等，其典型應(yīng)用有發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等。隨著近幾年我國(guó)深空深海探索的興起以及機(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度復(fù)雜薄壁件得到越來(lái)越多的應(yīng)用，對(duì)其尺寸精度的要求也越來(lái)越高。但由于此類(lèi)零件剛度低易變形的特點(diǎn)，在銑削加工中很小的力和熱都會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生相對(duì)較大的讓刀變形從而影響工件的尺寸精度，這一點(diǎn)在小尺寸的薄壁零件加工中體現(xiàn)的尤為明顯，不僅極大的限制了高精度薄壁件的進(jìn)一步應(yīng)

2、用，更推高了加工成本。因此，對(duì)銑削過(guò)程中產(chǎn)生的銑削力和銑削熱及其對(duì)薄壁件尺寸精度的影響進(jìn)行研究、控制，對(duì)提高我國(guó)制造技術(shù)發(fā)展水平具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
　　本文基于銑削機(jī)理，綜合考慮銑削過(guò)程中的剪切與犁切雙重機(jī)制建立了銑削力模型。首先將立銑刀沿軸線方向微分成片狀微元，建立微元銑削力模型，再將切削微元的銑削力在接觸區(qū)域內(nèi)沿切削刃進(jìn)行積分，從而得出一條刀刃上的銑削力公式。由于銑刀刃周期性地切削工件，因而刀具的整體銑削力信號(hào)

3、也是周期性的?？紤]到傅里葉級(jí)數(shù)在頻域研究領(lǐng)域的有效性與方便性，將總的銑削力轉(zhuǎn)換成傅里葉級(jí)數(shù)形式，從而建立起傅里葉形式的銑削力模型。為進(jìn)一步提高模型的實(shí)用性,更加貼近實(shí)際生產(chǎn)，本文對(duì)銑削力模型中的刀具切入角、切出角以及刀刃上任意位置的切削厚度等重要參數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算，分別建立了單一曲線軌跡（直線、圓弧、任意曲線）和復(fù)合軌跡（折線、直線與圓相切、圓與圓相）下銑削力的表達(dá)式，從而為模型的廣泛應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
　　同時(shí)結(jié)合銑削加工周期

4、性切削的特點(diǎn)，對(duì)切削加工中移動(dòng)熱源的建立方法進(jìn)行修正，建立了螺旋立銑刀銑削加工的工件溫度預(yù)測(cè)模型，結(jié)合上文的銑削力模型，為建立銑削力和銑削熱共同作用下薄壁件的變形模型打下了基礎(chǔ)。
　　為驗(yàn)證銑削力模型和銑削熱模型的正確與否，設(shè)計(jì)了加工驗(yàn)證進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先根據(jù)第二章建立的銑削力數(shù)學(xué)表達(dá)式，結(jié)合加工參數(shù)及實(shí)驗(yàn)中測(cè)出的銑削力，回歸出銑削力系數(shù)，從而求得銑削力清晰表達(dá)式。編制MATLAB程序，并計(jì)算模擬出一定銑削參數(shù)條件下的銑削力與銑削熱，

5、分別與相同條件下測(cè)力儀測(cè)得的銑削力與紅外熱像儀測(cè)得的溫度做比，發(fā)現(xiàn)二者吻合良好，從而驗(yàn)證了建立的銑削力與銑削熱模型。
　　將上述模型預(yù)測(cè)出的銑削力和銑削熱通過(guò)ANSYS施加到一定形狀的薄壁件上，計(jì)算出工件的讓刀變形從而為離線補(bǔ)償提供依據(jù)?？紤]到ANSYS經(jīng)典操作界面費(fèi)時(shí)費(fèi)力，大大限制了補(bǔ)償模型的實(shí)際應(yīng)用性，本章主要介紹通過(guò)ANSYS命令流——APDL語(yǔ)言進(jìn)行模型建立、網(wǎng)格劃分與變形計(jì)算的方法，在不影響計(jì)算精度的情況下大大縮短了計(jì)算

6、時(shí)間，提高了模型的實(shí)際應(yīng)用性。
　　最后進(jìn)行了薄壁工件側(cè)銑補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。在給定加工參數(shù)情況下，結(jié)合之前建立的銑削力模型和銑削熱數(shù)學(xué)模型及APDL工件變形預(yù)測(cè)模型，計(jì)算出薄壁件的理論變形量。同時(shí)將刀桿視為懸臂梁，計(jì)算銑削力作用下刀桿變形，綜合分析工件變形和刀具變形從而為刀具路徑優(yōu)化與誤差補(bǔ)償提供理論依并進(jìn)行補(bǔ)償加工實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比補(bǔ)償前后工件的尺寸誤差和表面微觀形貌，證明了文中建立的銑削力和銑削熱模型的有效性以及提出的變形補(bǔ)償策略的實(shí)用性