低刚度零件数控侧铣精加工的变形预测与控制策略研究

摘要

低刚度零件在航空航天工业中一直占有相当比重，如飞机结构件中的整体壁板、整体翼肋和发动机的涡轮叶片等。目前低刚度零件的机械加工已广泛采用数控侧铣工艺。然而，加工过程中由于该类零件的低刚度特征，侧铣切削力的作用使工件产生很大的加工变形，严重影响了工件的精加工精度及表面质量，甚至造成零件报废。因此，围绕低刚度零件侧铣加工变形开展的研究工作，将对改善工件的精加工精度和表面质量、提高加工效率、实现自适应精密数控加工都具有重要意义。 本文以低刚度零件侧铣精加工的变形预测和控制策略为研究对象，综合运用切削基本理论、有限元数值模拟技术和数控加工技术，探索和建立低刚度零件侧铣加工变形的有效预测方法和控制途径。具体研究工作如下： 首先对低刚度零件数控侧铣精加工变形的有效预测方法进行了深入探讨研究。即在金属切削力学的基础上，分析低刚度零件的侧铣加工过程，由于切削力是引起工件加工变形的主要原因，于是对加工过程进行必要简化后，刀具切削力的作用可视为沿刀具工件接触区域的动态移动载荷，借助有限元模拟技术建立了加工变形的预测模型。分别对简单结构薄壁矩形板和复杂曲面叶片零件进行了加工变形有限元模拟预测。本内容为后续控制策略和试验分析的研究提供了理论依据。 然后对控制和消除低刚度零件数控侧铣精加工变形的策略进行了系统研究。 具体针对薄壁矩形板零件，根据其加工变形的预测结果，提出了通过刀心位置偏置和刀具轴线偏摆来同时控制X、Z 两轴向变形的控制策略。本内容为数控试验分析对比奠定了基础。 最后开展了薄壁矩形板零件数控切削试验研究，以对有限元预测结果和控制补偿策略予以有效验证。通过试验设计，一方面将有限元预测结果与补偿前试验结果进行了比较，验证了有限元方法用于加工变形预测的可靠性；另一方面将有限元预测结果与补偿后的试验结果进行比较，验证了刀具路径修正用于加工变形控制的有效性。