采用多刃铣刀的航空铝合金高速加工过程的数值模拟与实验研究

摘要

在通过高温拉伸实验和高速压缩实验得到了铝合金7050-T7451材料本构模型的基础上，论文进一步研究了铝合金7050在临近高速(线速度在6m/s～8m/s范围内)铣削加工下的力学和热学性能，为提高铣削加工效率，特别是提高金属去除率，对采用不同铣刀刀具进行铣削加工以及加工时必然会产生的刀具磨损所带来的一些影响做了较为深入的研究。 论文首先分析了常见的铣削加工模拟的方式：等效厚度法，变厚度法。 通过前人提出的基于待切削层面积的等效厚度法，将铣削加工时的每齿进给量转换为等效的切削厚度，在此基础上进行二维有限元模拟，针对选取的几组不同的刀具后刀面磨损程度VB值，分析了刀具后刀面磨损对于切削力、切削温度、剪切角、有效应力以及有效应变等物理量的影响。 而对于变厚度法，论文在前人采用近似圆弧逼近加工轨迹铣削加工模型基础上，修正为考虑铣刀刀尖真实运动轨迹即次摆线的几何模型，从而同时考虑铣刀的旋转和进给的复合运动，突破了原来近似圆弧模型的限制，避免了原模型在模拟起始阶段存在的理论误差，扩大了有限元模拟的观察时间范围及实际对应的铣刀连续旋转角度，仿真结果也更加精确。 在此基础上分析了采用二齿铣刀在等宽加工方式下的铣削力和铣削温度以及有效应力等变量。然后分别分析了采用三齿铣刀和四齿铣刀同样在等宽槽铣加工方式下必然存在二个以上的刀刃同时加工对总的铣削力波形的变化和影响(这里的四齿铣刀包括直齿和螺旋齿两种情况)。其他如切削温度和有效应力也进行了分析。这种方法虽然只分析了三齿和四齿，但作为基础，可以延展应用到更为复杂的可能多至六刃以上刃数的面铣刀加工。其中的实际意义在于，金属切除率的提高，一方面可以通过提升转速和进给速度，另一方面还可以通过在不影响排屑的情况下适当增加刀具上的刃数。而等宽方式作为最大径向切深以及同时包含逆铣和顺铣两种方式的情况，一方面可以在粗铣加工采用，另一方面也是理论和实验研究中常考虑采用的一种加工方式。 在上述不同的具体情况中，论文采用了经验公式理论分析、力学建模、有限元模拟和铣削实验验证等相结合的手段研究铝合金7050-T7451加工中的铣削力和铣削温度及有效应力等物理量的变化规律，进一步了解了该材料的加工性能。在实验中通过KISTLER测力仪测量铣削力三个方向的分力。实验测量值与有限元模拟值得到了较好的一致，说明了论文所研究的铝合金7050铣削加工过程仿真的有限元模型是成功的。 在二维有限元模型的基础上，建立了螺旋刃铣刀加工铝合金工件的三维有限元模型，对于螺旋刃铣刀分别在最大径向切宽以及较大轴向切深两个条件下铣削加工铝合金工件时的切削力和切削温度等物理量的变化规律进行了研究。首先同样分析了在径向切深等于刀具直径的加工方式下的铣削力和铣削温度等的变化情况；其次作为面向实际加工的一个应用，论文比较和分析了采用二齿螺旋铣刀和四齿螺旋铣刀在较大轴向切深的情况下分别加工铝合金薄壁件时切削力的异同，探讨了采用四齿螺旋铣刀在较大轴向切深情况下进行加工的可行性。

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高速切削加工技术

1.3金属切削加工的研究历史及现状

1.4切削加工过程有限元模拟技术的研究现状

1.5论文研究的目标、意义、内容和总体框架

第二章 航空铝合金7050切削加工过程数值模拟的基础和关键技术

2.1引言

2.2铝合金材料的力学性能

2.3铝合金7050的材料模型

2.4切削加工模拟的关键技术

2.5本章小结

第三章 二齿铣刀高速加工航空铝合金的二维有限元模拟分析与实验研究

3.1引言

3.2直齿铣削的等效厚度简化模拟

3.3直齿铣削的变厚度简化模型

3.4实现旋转运动的圆弧模型和摆线模型

3.5基于摆线轨迹的铣削加工过程初始有限元模型的构造

3.6二齿铣刀的槽铣实验验证

3.7本章小结

第四章 多齿铣刀高速加工航空铝合金的二维有限元模拟分析与实验研究

4.1引言

4.2三齿铣刀全宽槽铣的分析与有限元模拟

4.3四齿铣刀全宽槽铣的分析与有限元模拟

4.4本章小结

第五章 螺旋齿圆柱铣刀高速加工铝合金的三维有限元模拟研究

5.1引言

5.2螺旋刃铣削力的理论模型

5.3铝合金铣削加工之三维有限元模型

5.4改变转速和进给匹配的另一组参数模型

5.5铝合金薄壁件侧面铣削加工的研究

5.6本章小结

第六章 铣刀后刀面磨损与切削物理量关系的研究

6.1引言

6.2有限元模型的构建

6.3有限元模拟结果和分析

6.4本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2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