薄壁件数控侧铣加工变形的预测、补偿与实验研究

摘要

在航空航天工业中，数控铣削是薄壁结构件加工的一种典型加工工艺，其中尤以高速铣削应用最为广泛。然而，由于这些结构件的薄壁低刚度特征，实际加工过程中工件和刀具变形引起的加工误差严重影响着工件的加工精度及表面质量，甚至造成零件的报废。因而，研究薄壁件铣削过程加工变形的预测及控制，对实现制造业中的加工工艺方案和加工参数的合理选取优化具有重要意义。为此，本文以薄壁件侧铣加工过程为研究对象，综合运用切削基本理论、有限元数值模拟技术以及数控加工技术，对加工变形预测方法和补偿策略进行研究，具体工作包括如下几个方面：
　　 1)建立了螺旋立铣刀铣削加工的力学模型。在分析铣削加工特点的基础上，建立了铣削力系数与切削用量的多项式模型，并通过四因素回归正交实验法确定了模型常量。最后，通过实验验证了该力学模型的正确性。
　　 2)针对薄壁矩形板的加工变形进行了数值模拟计算，并提出了控制变形的刀轨优化补偿方案。在变形分析中，以求离散点的加工变形值代替连续变形的方法逼近真实的变形形状。在获得变形规律的基础上提出了修正刀心位置和偏摆刀具轴线的刀轨优化补偿方案，以控制加工变形。并在数控加工中心上进行了薄壁矩形板侧铣加工实验，对薄壁件加工变形预测模型的正确性以及补偿方案的有效性予以验证。
　　 3)针对航空叶轮叶片侧铣加工变形进行了有限元数值模拟分析，提出了变形补偿策略。在分析叶片曲面几何特征的基础上，运用坐标变换实现铣削力的计算及有限元模型的加载，得到了被加工表面的形状误差数据。在此基础上，又提出了利用变形模拟值修正刀轴矢量补偿叶片加工变形的刀轨优化策略。
　　 综上，本文的研究为解决薄壁件侧铣加工的变形问题提供了有效的误差补偿方法，为提高加工质量、降低制造成本、提高机床的利用率提供了有效途径，同时为后续深入研究奠定了理论基础。