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薄壁件侧铣加工变形预测及切削参数影响的研究

作　者: 宾英
导　师: 胡自化
学　校: 湘潭大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 薄壁件加工变形有限元预测切削参数颤振
分类号: TG54
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

薄壁件质量轻、相对比强度高,在现代航空、航天和船舶工业中广泛应用。然而,薄壁零件由于其壁薄、刚度低,在切削力作用下极易产生很大的加工变形,因切削参数选取不合理,还会产生颤振现象,严重影响产品的表面质量和加工精度,甚至造成报废。因此,围绕薄壁件加工变形的研究,对提高工件加工精度和加工效率、改善表面质量、建立自适应精密数控加工工艺都具有重要意义。本文综合运用有限元模拟仿真技术、数控加工技术和切削基本理论,对矩形薄板和叶轮叶片数控侧铣的加工变形预测和切削参数对加工变形影响进行了研究。具体研究工作如下：1)建立了矩形薄板和叶轮叶片数控侧铣加工变形的有限元预测模型。在金属切削力学的基础上,对加工过程进行必要简化,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。本内容为后续切削参数对加工变形影响规律和试验分析的研究提供了理论依据。2)分析了切削参数对矩形薄板和叶轮叶片铣削加工变形的影响规律。通过设计相关切削参数方案,以第一组切削参数为基准组,然后依次改变径向切深、每齿进给、轴向切深、主轴转速等切削参数,利用已建立的有限元预测模型进行分析,将加工变形结果与基准组结果对比分析,揭示了各切削参数对加工变形的影响规律,为切削参数的选择提供了较好的依据。3)研究了数控侧铣加工中主轴转速与振动幅值之间的关系。通过有限元模态分析获得了矩形薄板铣削加工的稳定主轴转速范围,从而为抑制切削振动,选择合适的主轴转速提供了参考。4)开展了矩形薄板的数控切削实验。对矩形薄板加工变形的有限元预测结果和切削参数对加工变形的影响予以验证。通过实验方案设计和现场测试分析,有限元预测结果与实验结果吻合较好,所揭示的规律比较符合实际。综上,本文的研究为薄壁零件侧铣加工的“上厚下薄”变形问题提供了良好的误差预测方法,为优化工艺切削参数提供了有效参考依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
主要符号参数对照表  10-12
第1章绪论  12-17
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-15
    1.2.1 薄壁件侧铣加工变形预测  13-14
    1.2.2 切削参数对薄壁件侧铣加工变形影响规律  14-15
    1.2.3 薄壁件切削加工颤振的研究  15
  1.3 研究目标及内容  15-16
    1.3.1 研究目标  15-16
    1.3.2 研究内容  16
  1.4 本章小结  16-17
第2章切削基本机理及有限元方法  17-25
  2.1 引言  17
  2.2 金属切削基本机理  17-19
    2.2.1 正交切削原理  17-18
    2.2.2 铣削力模型的建立  18-19
  2.3 有限元方法  19-23
    2.3.1 有限元方法的基本思想  19-20
    2.3.2 有限元方法的基本理论  20-23
  2.4 有限元分析的基本步骤及流程  23-24
    2.4.1 有限元分析的基本步骤  23-24
    2.4.2 有限元分析的基本流程  24
  2.5 本章小结  24-25
第3章矩形薄板的加工变形与切削参数影响规律分析  25-46
  3.1 引言  25
  3.2 矩形薄板侧铣加工受力分析模型  25-26
  3.3 矩形薄板加工变形有限元预测  26
    3.3.1 模型的简化  26
    3.3.2 有限元模型的建立  26
  3.4 加工变形规律分析  26-30
    3.4.1 X.Y.Z三向变形对比分析  27-29
    3.4.2 工件沿长度方向(X方向)的Y向变形分析  29
    3.4.3 工件沿宽度方向(Z方向)的Y向变形分析  29-30
  3.5 主要切削参数对加工变形的影响  30-37
    3.5.1 轴向切深对加工变形的影响  31-32
    3.5.2 每齿进给量对加工变形的影响  32-33
    3.5.3 径向切深对加工变形的影响  33-34
    3.5.4 刀具齿数对加工变形的影响  34-35
    3.5.5 刀具直径对加工变形的影响  35-36
    3.5.6 主轴转速对加工变形的影响  36-37
  3.6 实验验证  37-45
    3.6.1 实验方案  37-38
    3.6.2 实验结果分析  38-44
    3.6.3 实验结论  44-45
  3.7 本章小结  45-46
第4章叶轮叶片的加工变形及切削参数影响规律分析  46-62
  4.1 引言  46
  4.2 叶轮叶片的铣削过程分析  46-47
  4.3 铣削力的计算  47-48
  4.4 叶轮叶片的加工变形预测  48-50
    4.4.1 叶片铣削的有限元建模  48-49
    4.4.2 叶轮叶片的几何实体建模  49
    4.4.3 叶轮叶片的网格划分、材料特性及边界条件设定  49-50
    4.4.4 铣削力的加载  50
  4.5 叶轮叶片的铣削加工变形分析  50-53
    4.5.1 观察坐标系的建立  50-51
    4.5.2 U向和V向变形分析  51-52
    4.5.3 叶片曲面整体变形分析  52-53
  4.6 切削参数对铣削变形的影响分析  53-61
    4.6.1 径向切深的影响  54-56
    4.6.2 每齿进给的影响  56-57
    4.6.3 刀具直径的影响  57-59
    4.6.4 主轴转速的影响  59-61
  4.7 本章小结  61-62
第5章薄壁件数控侧铣的动态特性分析  62-69
  5.1 引言  62
  5.2 加工颤振抑制策略研究  62-63
    5.2.1 优化刀具设计  62
    5.2.2 提高工艺系统刚性  62
    5.2.3 实时检测控制  62
    5.2.4 采用减振装置  62-63
    5.2.5 合理选用切削参数  63
  5.3 矩形薄板的加工振动分析  63-66
    5.3.1 瞬态加工系统简化  63-64
    5.3.2 位移响应求解  64
    5.3.3 矩形薄板固有频率分析  64-66
    5.3.4 矩形薄板幅频特性分析  66
  5.4 叶轮叶片的加工振动分析  66-68
    5.4.1 叶轮叶片固有频率分析  67
    5.4.2 叶轮叶片幅频特性分析  67-68
  5.5 本章小结  68-69
结论与展望  69-70
参考文献  70-73
致谢  73-74
攻读硕士学位期间发表的论文  74

薄壁件侧铣加工变形预测及切削参数影响的研究

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