薄壁零件加工的切削力模型分析与试验研究

论文摘要

薄壁零件在航空工业中应用很广泛。但薄壁零件结构复杂、刚性差,加工时在切削力的作用下很容易产生让刀变形,这就使得传统的工艺方法很难保证其加工精度。采用有限元预测变形和基于变形量的主动误差补偿是薄壁件变形控制的有效方法之一。本文采用试验研究和仿真研究相结合的方法,对其中的切削力建模及变形预测问题进行了详细的研究。首先,通过TC4钛合金的单因素切削试验,确定了各个切削因素对切削力的影响程度,得出了单刃铣削钛合金切削用量的选择依据。在单因素试验的基础上进行了钛合金的多因素多水平的正交试验,并由试验所得数据建立回归方程,通过矩阵变化对方程回归系数进行简化处理,再通过线性回归分析,从而建立了铣削钛合金的切削力经验模型。其次,进行ZL114A铝合金的切削试验,通过对试验数据的分析处理,建立了基于切削层面积的切削力模型和切削力经验模型,通过对试验验证结果的比较分析,确定了采用更为精确的指数模型作为进一步研究的基础。建立了镗削加工时切削层面积基于刀具几何参数及切削参数的函数,根据镗削力随切削层面积的变化特征,推导了镗削加工的切削力的数学模型,通过切削试验确定了切削常数和刃口磨擦系数,进而建立了镗削加工切削力数学模型。最后,结合切削力模型,建立了薄壁件切削加工的有限元仿真模型,通过对切削仿真结果的分析,获得了典型薄壁件加工变形基本规律。对薄壁件进行了切削试验,进行了加工变形和切削力的测量,通过和仿真数据的比较,验证了切削力模型和基于有限元的加工变形预测方法的有效性,可以作为进一步实现变形误差补偿的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 机械加工质量及机械加工精度
• 1.2.1 机械加工质量
• 1.2.2 机械加工精度
• 1.3 国内外研究的现状
• 1.3.1 切削力模型的国内外研究现状
• 1.3.2 薄壁零件加工变形预测的研究现状
• 1.3.3 研究存在的不足
• 1.4 论文的主要工作
• 1.5 论文章节安排
• 1.6 本章小结
• 第二章 切削力学模型
• 2.1 金属切削力学基础
• 2.1.1 切削运动
• 2.1.2 切削参数
• 2.1.3 切削合力与分力
• 2.2 影响切削力的因素
• 2.3 切削力模型
• 2.3.1 基于Oxley 切削理论的切削力理论模型
• 2.3.2 切削力经验模型
• 2.3.3 基于切削层面积的铣削力模型
• 2.4 镗削力模型
• 2.4.1 切削金属层的几何参数
• 2.4.2 切削力模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 钛合金铣削试验及数据处理
• 3.1 正交试验
• 3.2 钛合金及其切削加工工艺分析
• 3.3 试验设计
• 3.3.1 试验假设
• 3.3.2 单因素铣削钛合金试验研究
• 3.3.3 试验设计
• 3.4 试验环境
• 3.5 数据处理及模型的建立
• 3.5.1 回归方程系数的处理
• 3.5.2 建立数学模型
• 3.6 本章小结
• 第四章 铝合金加工试验及数据处理
• 4.1 铝合金的加工工艺
• 4.1.1 铝合金切削加工特性
• 4.1.2 切削铝合金刀具几何参数选择
• 4.2 铝合金切削试验设计
• 4.2.1 试验环境
• 4.2.2 基于切削面积的切削力数学模型
• 4.2.3 试验设计及建模
• 4.2.4 铝合金切削力的经验模型
• 4.3 铝合金的镗削试验
• 4.3.1 镗削过程切削金属层面积
• 4.3.2 试验设计及数据处理
• 4.5 本章小结
• 第五章 薄壁零件变形规律仿真研究
• 5.1 薄壁件切削力验证
• 5.2 有限元法
• 5.2.1 有限元法概述
• 5.2.2 有限元法计算步骤
• 5.3 薄壁零件的有限元分析
• 5.3.1 有限元模型的建立
• 5.3.2 动载荷的施加及材料的去除
• 5.3.3 有限元变形分析中切削力的算法
• 5.3.4 有限元变形仿真过程
• 5.3.5 结果输出
• 5.4 薄壁零件的加工变形预测的试验验证
• 5.4.1 测量方案
• 5.4.2 结果比较分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文