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铣削加工过程物理仿真及其在航空整体结构件加工变形预测中的应用研究

毕运波  
【摘要】: 整体结构件的数控加工变形是航空制造技术所面对的最突出问题之一,严重地阻碍了航空制造业的发展。因此,实现航空整体结构件数控加工变形的预测和控制具有重大的理论意义和工程应用价值。本文以加工变形预测为目标,采用理论分析、力学建模、有限元模拟和实验验证等手段,对航空整体结构件铣削加工过程物理建模与仿真关键技术进行了深入研究。 第一章阐述了论文研究的背景和意义,分别总结了切削加工过程物理仿真和航空整体结构件加工变形的国内外研究现状,提出了本文的研究目标、意义、内容和总体框架。 第二章在铣削加工机理理论分析的基础上,将复杂的铣削加工过程等效简化为基本的直角/斜角切削过程的组合。进而,通过正交直齿铣削实验,建立了硬质合金刀具切削加工航空铝合金7050-T7451过程中切削基本量与切削参数之间的经验公式,为后续铣削力和铣削热建模提供基本输入参数。 第三章基于刀齿微元化思想,建立了铣削力预报机械力学模型和统一力学模型。通过铣削力实验,对比研究了两种铣削力模型的预报精度和各自的优缺点,并间接验证了第二章所建立的切削基本量经验模型的正确性。 第四章在铣削加工热力学模型简化的基础上,分别针对直齿立铣加工和螺旋齿立铣加工,研究了热源强度解析计算、热载荷离散与动态施加等关键技术,建立了基于给定热源法的工件铣削温度场三维有限元模型,模拟得到单齿进给切削过程中工件温度场的动态变化过程。 第五章着眼于航空整体结构件数控铣削加工全过程动态物理仿真,架构和开发了数控铣削加工物理仿真原型系统,并深入研究了刀位轨迹文件解析、材料去除、动态铣削载荷施加、网格自适应及动态网格数据维护、接力计算方案等有限元建模与仿真过程自动化关键技术。 第六章借助数控铣削加工物理仿真原型系统,针对典型航空结构件整体加工变形和局部加工变形问题,分别建立了铣削加工过程有限元模型,预测了零件的加工变形,并通过实验验证了本文所采用的铣削加工全过程有限元建模策略的正确性和有效性。 第七章对全文的研究工作进行了总结,并对有待进一步研究的内容进行了展望。


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