航空薄壁件精密铣削加工变形的预测理论及方法研究

摘要

为了实现减重和提高比强度的目的，航空工业中广泛采用了航空铝合金等材料制成的薄壁零件。从切削加工的角度看，航空薄壁零件壁厚薄、相对刚度低、外形协调要求高、加工工艺性差。在精密切削加工过程中，切削力作用下薄壁工件的局部弹性变形、残余应力不均匀分布引起的整体加工变形以及加工系统的振动现象是影响薄壁件加工质量和精度的三个突出问题。本文采用理论分析、力学建模、有限元模拟和实验验证等手段，对航空薄壁件精密铣削加工变形的预测理论和方法进行了深入、系统的研究。主要研究工作包括以下几方面： 针对铝合金材料7050-T7451的高速铣削加工，基于大变形理论和虚功原理，建立了切削加工过程的三维热-弹塑性有限元模型。分析、研究了有限元网格模型、材料本构关系、刀-屑间摩擦模型、切屑分离标准以及热传导控制方程等涉及切削加工模拟的关键技术。利用该模型对铝合金材料的高速切削加工过程进行了有限元模拟，分析了高速切削加工过程中切屑的形成过程及其形貌，三维铣削力的变化情况，以及应力、应变、切削温度及已加工表面残余应力的分布规律。 针对航空铝合金材料7050-T7451的周铣加工过程，进行了铣削力理论建模研究，在不同切削情况下分别采用“刚性法”和“柔性法”对各自情况下的铣削力进行了预测分析，并进行了铣削力实验及模型验证。随后，对铣削温度进行了预测分析及实验研究。搭建了适合测量铣削温度的实验系统，并通过正交实验及回归分析获得了铣削温度的经验公式模型。 对薄壁件铣削加工过程中的振动及其稳定性进行了研究。基于薄壁件铣削加工动力学模型，利用有限元模态分析方法识别薄壁件动态特性参数，建立加工稳定性极限判定准则，并绘制了以机床主轴转速为横坐标，临界切削深度为纵坐标的稳定极限图，以指导选取主轴转速和切削深度等工艺参数，提高加工质量和加工效率。 最后对薄壁件铣削加工整体变形及局部加工变形进行了研究。在研究了薄壁件铣削加工有限元模拟所涉及相关关键技术的基础上，建立了适合分析薄壁件整体加工变形的有限元模型及分析流程，并重点分析了加工过程中的应力场和温度场分布规律、加工后工件残余应力分布规律以及加工路径和切削载荷对残余应力的大小及其分布的影响。 薄壁件局部加工变形预测的研究主要针对走刀方式和切削力这两个因素进行。结合铣削力预测的有关研究，建立了适合研究薄壁件局部加工变形误差的“刚性预测法”和“柔性预测法”流程。关于走刀方式主要研究了分层对称走刀和阶梯对称走刀对薄壁件局部加工变形的影响。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：本文使用的主要符号及其单位

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状及趋势

1.2.1铣削加工数值模拟技术研究

1.2.2切削力及加工弹性变形误差预测研究

1.2.3加工振动及其稳定性研究

1.2.4薄壁件整体加工变形研究

1.3论文研究的目标、意义、内容和总体框架

1.3.1论文研究的目标和意义

1.3.2论文研究的内容

1.3.3论文的总体框架

第二章 切削加工过程的三维有限元模拟研究

2.1引言

2.2有限元模型描述

2.2.1有限元模型的建立

2.2.2热力耦合有限元控制方程

2.2.3有限元运动方程

2.3切削加工有限元模拟关键技术

2.3.1材料模型

2.3.2切屑工件分离

2.3.3摩擦模型

2.3.4温度场有限元模型

2.4有限元模拟分析结果与讨论

2.4.1切屑形成过程分析

2.4.2应力、应变分析

2.4.3温度分布分析

2.4.4切削力分析

2.4.5已加工表面残余应力分析

2.5本章小结

第三章 铣削力和铣削温度的预测分析与实验研究

3.1引言

3.2铣削力计算模型

3.2.1周铣加工铣削力建模

3.2.2铣削力系数标定

3.2.3铣削力实验及模型验证

3.3铣削温度计算模型

3.3.1热源强度计算

3.3.2铣削温度场的传热学模型

3.3.3铣削温度场计算

3.3.4铣削温度的实验研究

3.4本章小结

第四章 薄壁件铣削加工的振动及其稳定性研究

4.1引言

4.2薄壁件铣削加工的动力学模型

4.3薄壁件铣削加工的颤振及其稳定性研究

4.3.1薄壁件模态分析

4.3.2薄壁件铣削加工稳定性极限

4.3.3加工稳定性影响因素分析

4.3.4稳定性极限图

4.3.5实验验证

4.4本章小结

第五章 薄壁结构件铣削加工变形预测研究

5.1引言

5.2薄壁结构件铣削加工整体变形预测研究

5.2.1有限元建模技术

5.2.2有限元模拟流程

5.2.3数值模拟结果分析

5.2.4铣削加工实验验证

5.3薄壁件局部加工变形预测研究

5.3.1局部加工变形误差预测方法

5.3.2薄壁件有限元模型

5.3.3加工过程动态仿真

5.3.4数值模拟结果分析

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读博士学位期间发表(撰写)的论文及参加的课题

致谢