防锈铝合金弱刚度复杂构件高速铣削工艺研究

摘要

防锈铝合金由于具有较强的反射可见光、热和电磁波的能力是制造雷达中复杂结构弱刚度功能件—波导组件的理想材料,但其高质量的切削加工技术研究较少。高速切削加工技术研究虽然近年来受到广泛重视,但在切削机理、刀具材料、切削参数优化以及切削加工数据库等方面还需要进一步研究,目前高速切削加工技术已经列入了2006-2020年国家中长期科学和技术发展规划。
　　本文采用高速铣削加工技术从铣削力、表面质量、切削参数优化以及弱刚度构件变形控制等方面对防锈铝合金弱刚度复杂构件加工技术进行了系统研究,为此类材料的应用与推广提供了技术支持,具有广阔的应用前景和重要的实际意义。通过对铣削过程的分析建立了三维铣削分力的理论预测模型,并根据单齿铣削过程中剪切面的面积变化规律对铣削力进行了分类。
　　对防锈铝合金AlMn1Cu进行了高速铣削加工试验,对采集的铣削力信号特征进行时域和频域分析,得到了铣削力信号的变化规律,并采用扫面电子显微镜对高速切削表面形貌进行观察与分析,获得了铣削表面形成机理和加工表面形貌的典型特征。采用单因素试验法、析因试验法以及均匀试验法对AlMn1Cu材料进行了高速铣削加工试验。
　　通过对单因素试验结果分析得到了铣削力和表面粗糙度随切削参数的单因素变化规律,析因试验结果得到了影响高速铣削力和表面粗糙度的重要效应因素,结果表明背吃刀量的影响最显著,而均匀试验结果进一步说明了铣削力和表面粗糙度的变化趋势。从直观分析的结果得到了获得最小表面粗糙度的切削参数组合,并通过试验进行了验证。采用偏最小二乘回归法建立了基于切削参数的铣削力和表面粗糙度预测模型,提高了模型的预测精度。
　　建立了基于切削参数的铣削力和表面粗糙度神经网络预测模型,在此模型的基础上建立了以最高加工效率为目标并以铣削力和表面粗糙度等技术要求为约束条件的切削参数优化数学模型,并提出了一种采用均匀试验设计的初始化种群技术以及无重复个体的稳态繁殖机制的模拟退火遗传混合优化算法,将该算法应用到切削参数优化计算中取得了较好效果。最终在上述技术的支持下建立了切削参数优化系统,并应用该系统提供了不同表面粗糙度技术要求下的最优切削参数组合。
　　采用有限元技术和加工试验相结合的方法得到了不同切削路径下弱刚度典型结构(薄壁、超薄腹板和微型孔/槽)的加工变形规律,并从切削参数和刀具的优化选择、切削路径和夹具的优化设计以及加工前后工件的处理等方面提出了控制与减小弱刚度构件加工变形的总体策略。
　　最后,应用上述研究成果进行了薄壁、雷达波导组件等弱刚度典型构件的高质量切削加工,质量检测结果表明工件的表面粗糙度、形位精度和尺寸精度均达到了技术要求,很好的解决了此类零件的加工问题,同时也为其它弱刚度构件的精密加工提供了参考。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 高速切削加工研究现状及发展

1.2.1 高速切削机理研究现状

1.2.2 切削力的研究

1.2.3 切削表面粗糙度研究

1.3 弱刚度构件加工变形预测与控制研究

1.3.1 弱刚度构件加工变形预测研究

1.3.2 弱刚度构件加工变形控制技术研究

1.4 课题来源与主要研究内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 论文的主要内容

1.5 论文研究的技术路线与结构

1.5.1 技术路线

1.5.2 论文结构

2 瞬态铣削模型及防锈铝合金高速切削机理

2.1 三维单刃斜角切削模型

2.2 三维铣削模型

2.2.1 单齿立铣三维瞬态模型

2.2.2 两齿立铣刀三维瞬态铣削分析

2.3 防锈铝合金高速铣削试验材料与条件

2.3.1 防锈铝合金AlMn1Cu材料性能

2.3.2 试验条件

2.4 防锈铝合金铣削力测量信号的特征分析

2.4.1 铣削力时域波形图分析

2.4.2 切削参数对铣削力时域波形图的影响

2.4.3 时域波形图的谱分析

2.5 防锈铝合金材料立铣表面形成机理

2.5.1 立铣已加工表面残留几何高度

2.5.2 刀具振动与变形对加工表面几何形貌的影响

2.5.3 高速铣削表面形貌特征的SEM分析

2.6 本章总结

3 高速铣削防锈铝合金的铣削力研究

3.1 试验条件

3.1.1 试验设备与刀具

3.1.2 铣削力计量方法

3.2 试验设计

3.2.1 加工方法和切屑温度测量

3.2.2 试验参数选择

3.2.3 单因素试验设计

3.2.4 L_(27)(3~(13))正交试验设计

3.2.5 均匀试验设计

3.3 切削参数的单因素变化对AlMn1Cu铣削力的影响

3.3.1 主轴转速(切削速度)对AlMn1Cu铣削力的影响

3.3.2 每齿进给量对AlMn1Cu铣削力的影响

3.3.3 背吃刀量对AlMn1Cu铣削力的影响

3.4 影响AlMn1Cu铣削力变化的显著性因素

3.4.1 交试验结果

3.4.2 交试验方差分析

3.5 多因素水平下的AlMn1Cu铣削力的变化趋势分析

3.5.1 试验结果

3.5.2 散点矩阵图分析

3.5.3 铣削力与切削参数的相关性分析

3.6 基于铣削力最小的铣削参数选择原则

3.7 基于PLS的AlMn1Cu铣削力的回归经验模型建立与分析

3.7.1 铣削力的回归数学模型选择

3.7.2 试验数据的标准化处理

3.7.3 偏最小二乘回归(PLS)的基本原理

3.7.4 防锈铝合金铣削力的回归预测模型计算

3.8 AlMn1Cu材料高速铣削力的试验小结

3.9 本章总结

4 高速铣削防锈铝合金的表面粗糙度研究

4.1 试验条件与设计

4.1.1 试验条件

4.1.2 试验设计方法

4.2 切削参数单因素变化对AlMn1Cu表面粗糙度的影响

4.2.1 主轴转速对AlMn1Cu表面粗糙度的影响

4.2.2 每齿进给量对AlMn1Cu表面粗糙度的影响

4.2.3 背吃刀量对A1Mn1Cu表面粗糙度的影响

4.3 影响AlMn1Cu表面粗糙度的重要效应因素

4.3.1 正交试验结果

4.3.2 影响底平面表面粗糙度的重要效应因素

4.3.3 影响壁表面粗糙度的重要效应因素

4.4 AlMn1Cu表面粗糙度的均匀试验结果与分析

4.5 AlMn1Cu表面粗糙度的回归经验模型

4.6 高速铣削AlMn1Cu表面粗糙度的试验小结

4.7 本章小结

5 高速铣削防锈铝合金切削参数的优化研究

5.1 高速铣削防锈铝轻质合金切削参数优化系统的总体设计

5.1.1 数据库模块

5.1.2 预测与优化模块

5.1.3 系统运行流程

5.2 基于切削参数的神经网络预测模型

5.2.1 神经网络预测模型结构

5.2.2 网络层设置

5.2.3 神经网络预测模型学习

5.2.4 神经网络预测模型建立与评测

5.3 切削参数优化模型与优化方法

5.3.1 切削参数优化的数学模型

5.3.2 模拟退火遗传混合优化算法

5.3.3 基于模拟退火遗传优化算法的切削参数优化计算

5.4 切削参数优化系统的开发

5.4.1 铣削力和表面粗糙度预测

5.4.2 切削参数优化

5.4.3 系统更新

5.5 切削参数优化系统的应用实例

5.5.1 防锈铝合金AlMn1Cu的铣削力预测

5.5.2 基于表面粗糙度要求的切削参数优化

5.6 本章小结

6 弱刚度典型构件加工变形控制与高速铣削加工工艺

6.1 弱刚度件加工难点分析

6.2 弱刚度典型结构加工变形规律与控制

6.2.1 立铣薄壁结构的加工变形规律与控制

6.2.2 超薄腹板结构的加工变形规律与控制

6.2.3 微型孔/通槽加工变形规律与控制

6.3 弱刚度构件加工变形控制对策

6.3.1 切削参数选择

6.3.2 切削路径的优化

6.3.3 夹具的优化设计

6.3.4 加工前/后工件的处理

6.4 弱刚度典型构件高速铣削实例

6.4.1 弱刚度典型结构——薄壁

6.4.2 弱刚度典型零件——雷达波导组件

6.5 本章小结

7 全文总结

7.1 主要工作及结论

7.2 论文创新点

7.3 今后研究方向

致谢

参考文献

附录A 阵面骨架CAD图与技术要求

攻读博士期间发表的论文与参加的科研项目