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

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 本文使用的主要符号及其单位
• 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
• 1.5.1 研究目标和意义
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 论文的总体框架
• 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 铝合金材料的性能
• 2.2.1 铝合金7050的静态力学性能
• 2.2.2 铝合金7050的动态力学性能
• 2.3 铝合金7050的材料模型
• 2.4 切削加工模拟的关键技术
• 2.4.1 切屑与工件的分离准则
• 2.4.2 摩擦模型
• 2.4.3 能量耗散与局部热传导
• 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
• 3.2.1 铣削加工过程的等效厚度模型
• 3.2.2 等效厚度铣削模型之模拟结果分析
• 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
• 3.5.1 模型采用全宽铣削的优点
• 3.5.2 次摆线模型的描述
• 3.5.3 铝合金周铣加工过程的有限元模型的建立
• 3.5.3.1 基本刀具形状和切削参数
• 3.5.3.2 旋转运动和进给运动在模型中的实现
• 3.5.3.3 材料模型
• 3.5.3.4 模型构造
• 3.5.4 数值模拟结果分析
• 3.5.4.1 铣削力的分析
• 3.5.4.2 切削温度的预测
• 3.5.4.3 有效应力的预测
• 3.6 二齿铣刀的槽铣实验验证
• 3.7 本章小结
• 第四章 多齿铁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
• 4.2.1 三齿铣刀全宽槽铣有限元模型的构造
• 4.2.2 铣削温度和有效应力应变的分析
• 4.2.3 铣削力的分析
• 4.2.3.1 铣削力的经验公式分析
• 4.2.3.2 铣削力的有限元模拟结果分析
• 4.2.3.3 铣削力的实验分析
• 4.3 四齿铣刀全宽槽铣的分析与有限元模拟
• 4.3.1 有限元模拟的基础
• 4.3.2 有限元模拟输出的铣削力分析
• 4.3.3 铣削力的经验公式分析
• 4.3.4 铣削力的实验分析
• 4.3.5 铣削温度分析
• 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
• 5.3.1 铣削加工背景
• 5.3.2 面向三维切削加工模拟的螺旋四刃铣削加工有限元模型的建立
• 5.3.3 有限元模拟得到的铣削力曲线
• 5.3.4 有限元模拟得到的铣削温度
• 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
• 5.5.1 四刃螺旋铣刀的加工模拟
• 5.5.2 二刃螺旋铣刀的加工模拟
• 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
• 6.3.1 磨损对于切屑形成及剪切角的影响
• 6.3.2 磨损对应力、应变和应变率的影响
• 6.3.3 后刀面磨损对切削力的影响
• 6.3.3.1 切削力的理论分析
• 6.3.3.2 切削力的有限元分析
• 6.3.3.3 切削力验证实验
• 6.3.4 后刀面磨损对于切削温度的影响
• 6.5 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