航空薄壁零件的铣削加工变形控制研究

论文摘要

薄壁零件是指由各种薄型板(壳)和加强筋条构成的轻量化结构零件,具有重量轻、强度高、造型美观等突出优点,工程应用日益广泛,航空航天产品普遍采用薄壁结构。由于其零部件具有轻量化的要求,故大量采用铝合金、钛合金等密度较低的材料。薄壁结构在制造过程中由于其相对刚度较低、加工工艺性差,在切削力、装夹力、切削振颤等因素作用下极易发生变形、失稳和振动等问题,制造难度极大。加工变形已成为航空制造技术中影响加工精度与质量的关键因素,严重地阻碍了航空制造业的发展。因此,对薄壁结构的切削加工变形的控制方法进行研究具有重大的理论意义和工程应用价值。鉴于问题的复杂性,本文采用理论建模、软件分析和试验研究相结合的方法。主要研究工作包括如下几个方面:(1)分析了薄壁零件的加工变形机理及减小加工变形的途径,对目前控制加工变形采取的措施进行了总结。由于铣削力是影响薄壁件变形的主要因素,对铣削力的来源、影响因素等进行了分析总结,针对薄壁件铣削加工的特点,选择了合理的薄壁件力学模型。(2)总结了薄壁零件的结构特点并对其进行了归纳,将其从结构上分成了两类:等壁厚零件和变壁厚零件。而变壁厚薄壁零件又可认为是由等壁厚结构构成的,因此对等壁厚结构零件的加工变形进行研究具有典型意义。(3)建立了以工时、成本为主要目标的多目标优化切削参数的数学模型,针对典型等壁厚零件精加工提出了分工步优化切削参数、修正刀具路径的概念,通过对其结构及其加工要求的分析,依据其加工要求及形状特征把零件分成不同的切削工步,分别对相应工步的加工参数进行优化确定,然后对不同工步的加工变形进行分析,在得到不同工步变形规律的基础上,修正刀具走刀轨迹,达到减小加工变形的目的。(4)对等壁厚薄壁零件进行了加工仿真,生成了修正刀具轨迹后的数控程序。在数控加工中心上对等壁厚薄壁零件进行了实例加工实验,验证了修正刀具轨迹方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 研究现状综述
• 1.2.1 加工变形产生的原因
• 1.2.2 加工变形控制的研究现状
• 1.2.3 变形分析技术的研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 本章小结
• 第二章 薄壁零件结构及铣削加工的基本问题
• 2.1 典型薄壁结构
• 2.1.1 薄壁件变形特点的分析
• 2.1.2 薄壁件的结构特点和分类
• 2.1.3 设计典型的薄壁结构
• 2.2 切削加工的基本机理
• 2.3 薄壁件的粗加工策略
• 2.4 薄壁件的精加工策略
• 2.4.1 材料性能
• 2.4.2 切削刀具的选择
• 2.4.3 工艺参数的选择
• 2.4.4 加工基本要求
• 2.4.5 周铣侧壁的切除率问题
• 2.4.6 加工曲面时的每齿进给量fz
• 本章小结
• 第三章 薄壁结构零件的变形分析方法
• 3.1 切削力分析
• 3.1.1 切削力的来源
• 3.1.2 影响切削力的因素
• 3.2 切削力模型的建立
• 2.2.1 铣削过程的分析
• 3.2.2 立铣刀铣削力理论模型
• 3.2.3 铣削力计算
• 3.3 变形分析
• 3.3.1 有限元分析方法及分析软件ANSYS
• 3.3.2 有限元建模
• 3.3.3 结果分析
• 本章小结
• 第四章 走刀路径优化及NC 加工仿真
• 4.1 加工切削参数的优化
• 4.1.1 切削参数优化的数学描述
• 4.1.2 以工时、成本为主要目标的多目标优化数学模型的建立
• 4.2 刀具路径优化的原理
• 4.3 薄壁零件分步的方法
• 4.4 等薄壁零件刀具路径的优化
• 4.4.1 切削参数的确定
• 4.4.2 刀具路径的确定
• 4.5 NC 加工仿真
• 4.5.1 加工编程要求
• 4.5.2 PRO/ENGINEER 的NC 模拟板块
• 4.5.3 NC 程序生成
• 本章小结
• 第五章 实例加工试验与分析
• 5.1 试验目的
• 5.2 试验方案设计
• 5.2.1 加工方案
• 5.2.2 测量方案
• 5.3 试验结果分析
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢