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基于切削力精确建模的钛合金薄壁件让刀变形预测研究

宋戈  
【摘要】:随着航空飞行器综合性能的不断提高,对航空器结构提出了更高的要求,例如更轻的结构重量、更高的结构强度、更长的应力疲劳寿命等。对于薄壁类结构零件来说,铣削加工是决定其加工精度和加工效率的关键技术,很大程度上决定了航空结构件的加工质量和使用寿命。由于较低的结构刚度,薄壁类结构件铣削加工过程中容易出现严重的切削振动和颤振、刀具及工件的弹性变形等现象,造成工件表面粗糙度下降以及工件的让刀误差。科学统计表明,造成航空薄壁件加工质量不满足加工精度要求的情况中,超过70%是工件表面让刀误差造成的。由此可知,加工让刀误差大大制约了薄壁类结构件的加工精度和效率,也很大程度上限制了高端航空飞行器的研发速度和规模生产。 论文首先分析了整体铣刀三维切削力模型构建方法。根据Yusuf建立的钛合金直角切削力预测模型,将切削速度和刀具前角对切削力的影响规律引入预测系数模型,并通过钛合金直角切削实验重新标定了直角切削预测系数;借助等效前角将直角切削力预测系数应用至斜角切削力的预测,并通过整体刀具离散化建模和切削力向量迭加,建立了以切削中心角为自变量的整体铣刀三维切削力预测模型。 提出并定义了薄壁件铣削中刀具-工件接触副的概念,包括了铣削过程中刀具-工件接触线方程、接触区域切削中心角范围、以及铣削层厚度建模等关键技术部分。首先根据刀具参数和工艺参数,研究了以切削中心角为自变量刀具-工件接触线数学模型,并在考虑工件边界范围的基础上对切削中心角范围随切削时间的变化进行了分析;根据相邻刀刃余摆线运动轨迹,借助泰勒级数展开法建立了薄壁件铣削层厚度的精确模型。进而分析了多个切削刃同时参与切削情况下的接触副建模方法。 薄壁结构件加工过程中,刀具挠度变形对工件表面让刀误差有比较显著的影响。同时对工件弹性变形和刀具弹性变形展开研究是困难的,因此首先对铣削过程中整体铣刀的挠度变形预测方法进行了研究。构建了等效直径刀具悬臂梁模型,通过离散整体刀具及作用在切削刃上的铣削载荷,分析了刀具在任意方向集中载荷单独作用下,沿特定方向挠度变形的求解方法。进而借助材料力学挠度叠加原理,,通过各个方向挠度向量的叠加,构建了切削载荷条件下整体刀具沿特定方向挠度变形的理论预测模型。并讨论了多刃同时切削情况下的刀具挠度变形求解方法。最终构建了以刀具挠度变形为反馈的工件表面让刀误差及切削力柔性预测模型。借助Matlab运算工具实现了理论模型的预测,并通过钛合金Ti6A14V刚性工件铣削实验验证了理论模型的预测精度。 分析了利用薄板弹塑性力学求解薄壁件切削载荷下弯曲变形的可行性和关键步骤,并借助李滋公式具体形式构建了薄壁结构随切削过程的刚度时变特性数学模型,实现了对薄壁结构刚度时变特性的定量描述。通过分析刀具挠度变形和工件弯曲变形对刀具-工件接触副的耦合作用规律,建立了考虑刀具-工件变形对铣削层厚度影响的薄壁变形控制方程载荷矩阵。借助数学迭代方法,构建了以刀具-工件变形变形为反馈的薄壁件铣削加工表面让刀误差及切削力柔性预测系统方法。并借助Matlab实现了理论模型预测功能,进行了钛合金Ti6Al4V薄壁件铣削实验验证了理论模型的预测精度。


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