腹板铣削加工变形分析与控制技术论文说明书.docVIP

1 绪论 1.1 本课题研究依据和意义 薄壁零件是工业领域中特别是汽车、飞机、轮船、列车等交通工具中较常见的主要承载构件,其结构复杂,加工精度要求高[1]。薄壁零件在切削加工过程中因受到切削力、切削热和残余应力等因素的影响极易产生变形，使工件超差甚至报废，如今变形问题已经成为薄壁结构件加工过程中的“瓶颈”，控制加工变形已成为保证薄壁零件数控加工质量的关键。本文针对薄壁零件的腹板特征开展加工变形规律研究与变形控制工艺研究具有重要的意义。 影响薄壁件加工精度的常见因素很多，如图1.1所示，可将薄壁件在切削加工中产生变形的原因归结为如下几个方面： 毛坯的尺寸形状。 刀具加工中的磨损和振动。 数控机床的装夹系统带来的框体变形。 机床本身的刚性和精度限制。 切削力作用以及切削条件的改变。 工件受切削热作用下的变形。 其他一些随机因素。 图1.1 影响薄壁件加工精度的常见因素 在以上影响因素中，由于工件的刚度不足和铣削力所引起的工件变形是影响加工尺寸精度的主要矛盾。 框体结构件一般包含有侧壁和腹板两部分，如图1.2所示。在以前的文献中无论是力的模型、有限元模拟分析还是工艺试验较多的研究是针对框体的侧壁，很少针对薄壁腹板加工变形进行研究。腹板作为薄壁件的重要特征,其变形在制造中更加普遍,变形形式多样且难以控制。所以通过借鉴研究侧壁方法研究腹板加工变形规律乃至变形控制措施是非常必要的。 图1.2 整体框主要特征示意图 1.2 本课题相关的国内外研究现状 在国外，R.E.Devor[2]应用有限差分法对薄壁件在单位力作用下的变形进行了分析计算，建立了薄壁件变形与薄壁件几何参数的对应关系模型；Altintas Y、Budak[3]应用有限元对薄壁件的铣削变形进行了预测；T. Watanabe[4]在分析变形的基础上，通过改变刀具路径对加工误差进行数控补偿，从而提高了加工精度，但误差分析主要集中在刀具的变形分析上，没有考虑工件变形的影响；S.Smith[5]对薄壁腹板的加工则提出了利用薄壁整体刚性的工艺，提高了薄壁腹板的加工精度，同时提高了生产率，但具体工艺参数无法获得；日本的岩部洋育采用双主轴机床分别从两侧进行框体侧壁的加工，从而抵消了薄壁件的变形，但这需要特种机床；J.Tlusty等人在研究动态铣削的基础上，提出利用合理的大长径比刀具可以有效的解决较深的型腔和侧壁的铣削加工问题，以获得较大的金属去除率和较高的表面完整性，但针对不同的工艺系统，合理的比例很难确定；日本的Haruki OBARA等人提出了低熔点合金（Low Melting Alloy）辅助切削方案，有效的解决薄壁结构零件的加工变形问题，具有很高的加工精度，但这种方法又会增加多余的工序，导致成本增加且操作繁琐。 在国内，南京航空航天大学在切削加工与加工变形有限元模拟技术研究方面取得了一定的研究成果[6]，他们的研究人员考虑加工薄壁时让刀后实际铣削力的变化，根据实际加工过程，分析了不同的薄壁结构尺寸及不同的切削用量组合对变形的影响，建立了可用于指导实际生产过程的工艺文件，提出了用于控制侧壁加工变形的过切倾斜控制工艺和分层对称铣削工艺、用于控制腹板变形的大切深切削和走刀路径优化工艺；浙江大学的黄志刚,柯映林,董辉跃和成群林[7-8]等利用有限元技术对框类整体结构件不同铣削加工顺序时的加工变形进行了数值模拟，也取得了一些成果；北京航空航天大学的魏丽和郑联语针对薄壁零件刚性差、一般结构复杂、精度高，在数控加工中变形难以控制，无法保证加工质量的问题，提出了进给量局部优化的方法来改进薄壁零件的数控加工质量。这些研究对本文开展工作提供了重要的参考依据。 由此可见，我国针对薄壁框体结构件加工变形的研究涉及到了加工中的各个方面，取得了一定的成果。但总体而说，我国对薄壁件加工变形的研究还落后于一些发达国家很多，首先从加工工艺上而言，没有能充分利用好现有先进设备。由于对高速加工工艺的不熟悉，没有充分利用高速加工技术的优越性，使加工方法比较局限。再者高性能刀具多数依赖于进口国外，对其设计机理却没有完全理解，没能充分利用其加工特性。而且工艺路线的制定还有待发展，很多都是照搬国外的工艺，对工艺原理没有完全研究好，无法从中提炼出适合的加工思路，没能设计出更好的工艺方法。使用国内现有的工艺又不能保证薄壁件的加工精度，加工质量较差、加工效率较低。 1.3 本文的具体工作 在查看已有文献的基础上，借鉴文献[9，10]的方法，利用ANSYS10.0软件对薄壁腹板的加工变形问题进行建模、计算、总结变形规律，提出变形控制措施。为提高腹板加工精度、提高加工效率提供有效的指导。 具体研究步骤与研究内容如下： 首先对腹板铣削加工进行更