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薄壁件高速铣削三维稳定性及加工变形研究

汤爱君  
【摘要】: 随着航空航天技术的发展,薄壁结构件在工程应用中日益广泛。由于薄壁结构件受力复杂,形状精度要求很高,难以按照经典理论进行受力分析,因此是国际上公认的复杂制造工艺难题之一。其制造过程中最突出的问题之一是加工变形,而影响工件变形的一个非常重要的因素就是切削颤振。因此加工薄壁件时,只有对切削颤振稳定性和加工变形这两个问题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质量。本文以铝合金2A12薄壁零件加工为研究对象,借助理论分析、实验研究和数值模拟等研究手段,研究薄壁零件的三维稳定性和加工变形,从而为薄壁零件铣削加工变形的控制和工艺参数优化提供理论依据。 基于Altintas和Budak提出的颤振预测模型,建立薄壁零件铣削加工的三维稳定性模型,并用Matlab7.0进行计算仿真,得到薄壁零件铣削颤振的轴向切深、径向切深和主轴转速的三维稳定性图。通过三维稳定性图可以比较直观、清晰地分析切削参数对切削稳定性的影响,从而可以全面、准确地选择稳定切削条件下的最优切削参数。此外,通过对金属切削力学和铣削力模型的研究,建立铣削力系数和铣刀几何参数之间的关系,分析铣刀几何参数(螺旋角、法向前角和刀齿数)和径向切深对铣削三维稳定性的影响,进而分析薄壁零件铣削加工系统的稳定性以及工艺参数的优化选择问题,在保证产品质量的前提下,预先对切削系统的稳定性极限做出比较准确的预测,可以显著提高机床切削效率,为薄壁零件铣削工艺参数优化提供理论依据,实现高效率和高精度的完美统一。 基于功互等理论基础,建立悬臂薄壁零件在静态切削力作用下弹性变形的理论模型和边界条件,并通过有限元ANSYS10.0进行求解计算铝合金2A12悬臂薄壁零件在切削力作用下的弹性变形。分别考虑线载荷大小的变化、载荷作用位置的变化、壁厚的变化对零件弹性变形的影响,并预报在不同影响因素条件下的最大弹性变形情况,为分析与预测薄壁零件切削加工变形问题奠定基础。 在冯卡曼方程基础上,建立悬臂薄壁零件发生弹塑性变形的微分方程组和边界条件,通过有限元ANSYS10.0进行求解计算铝合金2A12悬臂薄壁零件在切削力作用下的弹塑性变形。此外,考虑弯曲回弹现象对弹塑性变形的影响,将弯曲回弹的计算引入薄壁零件弹塑性变形的计算中,分析弯曲回弹现象产生的内因以及影响弯曲回弹现象的因素,并计算薄壁零件在一定条件下发生弯曲回弹时的回弹量。通过有限元软件ANSYS10.0和Matlab模拟薄壁零件在多因素耦合作用下发生的弹塑性变形,并进行了高速铣削铝合金2A12薄壁零件加工变形实验,利用三坐标测量机Mistral775测量了薄壁件的加工变形,验证弹塑性变形模拟的正确性,为进一步研究薄壁件加工变形的控制技术提供理论依据。 将薄壁零件铣削过程中的变形理论与三维稳定性相结合,针对三边自由、一边固定的薄壁件建立不同刀具位置处的三维稳定性模型,通过Matlab模拟出薄壁零件铣削加工过程中轴向切深、主轴转速和刀具位置的三维稳定性图。并对薄壁零件铣削过程中不同位置上的颤振稳定性模型进行实验验证,以证明所建立模型的正确性。从而可以指导在薄壁零件铣削加工过程中的不同位置处选取主轴转速和切削深度等工艺参数,有利于将切削过程控制在稳定区域之内,对于提高薄壁零件铣削加工的效率和质量具有重要的意义。 在稳定切削的前提下,运用切削理论和数值计算方法,建立无颤振最大材料去除率的求解模型。在材料去除率取得最大时,切出角的大小只与切削力系数有关,而切削力系数与法向前角、螺旋角、摩擦系数和切屑变形系数等有关。因此,在一定的切削条件下,可以寻求最优的切削用量组合,以使薄壁零件的材料去除率达到最大,从而提高产品的加工效率。并通过具体的算例,对所建立的无颤振最大材料去除率数学模型进行验证,以证明所建立模型的正确性。


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