薄壁件高速銑削三維穩(wěn)定性及加工變形研究.pdf

1、隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，薄壁結(jié)構(gòu)件在工程應(yīng)用中日益廣泛。由于薄壁結(jié)構(gòu)件受力復(fù)雜，形狀精度要求很高，難以按照經(jīng)典理論進(jìn)行受力分析，因此是國際上公認(rèn)的復(fù)雜制造工藝難題之一。其制造過程中最突出的問題之一是加工變形，而影響工件變形的一個非常重要的因素就是切削顫振。因此加工薄壁件時，只有對切削顫振穩(wěn)定性和加工變形這兩個問題加以研究和控制才能更好的提高薄壁零件的加工精度和表面質(zhì)量。本文以鋁合金2A12薄壁零件加工為研究對象，借助理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和

2、數(shù)值模擬等研究手段，研究薄壁零件的三維穩(wěn)定性和加工變形，從而為薄壁零件銑削加工變形的控制和工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。 基于Altintas和Budak提出的顫振預(yù)測模型，建立薄壁零件銑削加工的三維穩(wěn)定性模型，并用Matlab7．0進(jìn)行計(jì)算仿真，得到薄壁零件銑削顫振的軸向切深、徑向切深和主軸轉(zhuǎn)速的三維穩(wěn)定性圖。通過三維穩(wěn)定性圖可以比較直觀、清晰地分析切削參數(shù)對切削穩(wěn)定性的影響，從而可以全面、準(zhǔn)確地選擇穩(wěn)定切削條件下的最優(yōu)切削參數(shù)。

3、此外，通過對金屬切削力學(xué)和銑削力模型的研究，建立銑削力系數(shù)和銑刀幾何參數(shù)之間的關(guān)系，分析銑刀幾何參數(shù)（螺旋角、法向前角和刀齒數(shù)）和徑向切深對銑削三維穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而分析薄壁零件銑削加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇問題，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，預(yù)先對切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性極限做出比較準(zhǔn)確的預(yù)測，可以顯著提高機(jī)床切削效率，為薄壁零件銑削工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效率和高精度的完美統(tǒng)一。 基于功互等理論基礎(chǔ)，建立懸臂薄壁零件在

4、靜態(tài)切削力作用下彈性變形的理論模型和邊界條件，并通過有限元ANSYS10．0進(jìn)行求解計(jì)算鋁合金2A12懸臂薄壁零件在切削力作用下的彈性變形。分別考慮線載荷大小的變化、載荷作用位置的變化、壁厚的變化對零件彈性變形的影響，并預(yù)報(bào)在不同影響因素條件下的最大彈性變形情況，為分析與預(yù)測薄壁零件切削加工變形問題奠定基礎(chǔ)。 在馮卡曼方程基礎(chǔ)上，建立懸臂薄壁零件發(fā)生彈塑性變形的微分方程組和邊界條件，通過有限元ANSYS10．0進(jìn)行求解計(jì)算鋁合金

5、2A12懸臂薄壁零件在切削力作用下的彈塑性變形。此外，考慮彎曲回彈現(xiàn)象對彈塑性變形的影響，將彎曲回彈的計(jì)算引入薄壁零件彈塑性變形的計(jì)算中，分析彎曲回彈現(xiàn)象產(chǎn)生的內(nèi)因以及影響彎曲回彈現(xiàn)象的因素，并計(jì)算薄壁零件在一定條件下發(fā)生彎曲回彈時的回彈量。通過有限元軟件ANSYS10．0和Matlab模擬薄壁零件在多因素耦合作用下發(fā)生的彈塑性變形，并進(jìn)行了高速銑削鋁合金2A12薄壁零件加工變形實(shí)驗(yàn)，利用三坐標(biāo)測量機(jī)Mistral775測量了薄壁件的加

6、工變形，驗(yàn)證彈塑性變形模擬的正確性，為進(jìn)一步研究薄壁件加工變形的控制技術(shù)提供理論依據(jù)。 將薄壁零件銑削過程中的變形理論與三維穩(wěn)定性相結(jié)合，針對三邊自由、一邊固定的薄壁件建立不同刀具位置處的三維穩(wěn)定性模型，通過Matlab模擬出薄壁零件銑削加工過程中軸向切深、主軸轉(zhuǎn)速和刀具位置的三維穩(wěn)定性圖。并對薄壁零件銑削過程中不同位置上的顫振穩(wěn)定性模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以證明所建立模型的正確性。從而可以指導(dǎo)在薄壁零件銑削加工過程中的不同位置處選取

7、主軸轉(zhuǎn)速和切削深度等工藝參數(shù)，有利于將切削過程控制在穩(wěn)定區(qū)域之內(nèi)，對于提高薄壁零件銑削加工的效率和質(zhì)量具有重要的意義。 在穩(wěn)定切削的前提下，運(yùn)用切削理論和數(shù)值計(jì)算方法，建立無顫振最大材料去除率的求解模型。在材料去除率取得最大時，切出角的大小只與切削力系數(shù)有關(guān)，而切削力系數(shù)與法向前角、螺旋角、摩擦系數(shù)和切屑變形系數(shù)等有關(guān)。因此，在一定的切削條件下，可以尋求最優(yōu)的切削用量組合，以使薄壁零件的材料去除率達(dá)到最大，從而提高產(chǎn)品的加工效率