薄壁件数控侧铣若干基础理论、实验及集成技术问题的研究

论文摘要

薄壁件在航空航天、机械、土木等领域应用非常广泛,许多重要零部件(如航空发动机叶片等)的先进制造技术涉及军事和重要民用领域的关键技术,被各国视为机密而对外严格封锁,我国在这方面远落后于西方制造强国。由于薄壁件低刚度特性和一些零部件复杂不可展曲面形状使得制造难度极大。围绕薄壁件高精度加工需求和提高加工效率进行数控加工基础理论与应用研究具有重大的理论意义和工程应用价值。本文综述了国内外研究现状,采用理论分析、有限元和切削实验相结合的方法,以矩形薄板、航空叶轮叶片的数控侧铣为对象,开展了薄壁件数控侧铣的力学和数控基础理论、有限元模拟和切削实验综合分析研究,取得了以下研究成果:1.通过将移动载荷作用问题转化为固定载荷作用问题,建立起移动集中载荷作用下悬臂矩形板对称弯曲和非对称弯曲的力学模型,移动集中载荷作用下悬臂矩形板的对称和非对称弯曲挠度试验函数,进而获得矩形薄板侧铣加工变形的近似理论解。有关结果与有限元预测结果以及切削实验测量结果吻合较好。2.提出螺旋立铣刀侧铣加工的切削力模型,通过建立铣削力系数与切削用量的多项式模型,利用四因素回归正交实验法确定了模型常量。建立了进行精确变形预测和误差控制分析的基础。3.提出冗余误差控制三次NURBS曲线直接插补算法,通过引入进给倍率因子,适度提高插补速度可改善小曲率情形误差过度冗余,提高了加工效率。实验表明该算法对加工精度和加工效率具有综合协调控制能力。提出了三轴空间刀具半径补偿算法,实验表明算法正确有效。4.提出了倾斜摆头型和带角度铣头五轴机床等含特殊铣头的五轴后置处理算法,实验表明算法正确可靠。提出了锥形球头铣刀侧铣加工不可展直纹面的刀位优化算法,实验表明建立的算法可极大提高不可展曲面侧铣加工精度。5.分别建立了矩形薄板的单轴侧铣加工变形的有限元数值预测模型和航空叶轮叶片的五轴侧铣加工变形的有限元数值预测模型,并提出了控制变形的刀轨优化误差补偿方法。实验表明所建立的加工变形预测模型正确,误差补偿方法有效。有关研究理论成果为薄壁件加工变形预测与刀轨优化的分析和应用提供了理论指导,部分研究成果已经实现实际应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 薄壁件数控加工的效率和质量控制国内外研究现状综述
• 1.2.1 切削力模型研究
• 1.2.2 薄壁件加工变形研究
• 1.2.3 薄壁件加工变形误差控制策略研究
• 1.2.4 NURBS 曲线直接插补算法研究
• 1.2.5 五轴后置处理算法研究
• 1.2.6 空间刀具补偿研究
• 1.2.7 不可展薄壁件的刀具轨迹规划研究
• 1.3 研究内容
• 第2章 力学基础理论研究
• 2.1 弹性薄板弯曲的基本理论
• 2.1.1 基本方程
• 2.1.2 薄板弯曲的精确解法
• 2.1.3 薄板弯曲的近似解法
• 2.2 移动集中载荷作用下悬臂板弯曲的力学模型建立
• 2.2.1 薄板侧铣加工几何模型
• 2.2.2 问题简化
• 2.2.3 力学模型
• 2.3 移动集中载荷作用下悬臂板对称弯曲研究
• 2.3.1 试验函数建立
• 2.3.2 几何边界条件为AB 边的挠度和转角条件
• 2.3.3 满足部分力边界条件
• 2.3.4 计算变形势能
• 2.3.5 确定系数
• 2.3.6 实例计算
• 2.4 移动集中载荷作用下悬臂板的不对称弯曲变形研究
• 2.4.1 移动集中载荷作用下悬臂板的不对称弯曲试验函数建立
• 2.4.2 计算变形势能
• 2.4.3 确定系数
• 2.4.4 实例计算
• 2.5 小结
• 第3章 切削与数控理论研究
• 3.1 金属切削基本原理
• 3.1.1 正交切削机理
• 3.1.2 斜角切削机理
• 3.1.3 经验铣削力模型
• 3.2 柔性切削力模型的建立
• 3.2.1 铣削力公式确定
• 3.2.2 积分限的确定
• 3.2.3 铣削力的计算
• 3.2.4 铣削力系数模型的建立
• 3.3 基于冗余误差控制的NURBS 曲线自适应直接插补算法研究
• 3.3.1 NURBS 曲线的几何定义
• 3.3.2 插补基本原理
• 3.3.3 基于冗余误差控制的NURBS 曲线自适应直接插补算法建立
• 3.3.4 实例计算
• 3.4 三轴数控侧铣空间刀具半径补偿算法研究
• 3.4.1 三轴数控侧铣空间刀具半径补偿基本思想
• 3.4.2 空间相邻直线段的过渡转接算法
• 3.4.3 实例计算
• 3.5 含特殊铣头的五轴数控机床后置处理算法研究
• 3.5.1 倾斜摆头型五轴机床后置处理算法
• 3.5.2 带角度铣头机床的后置处理算法
• 3.5.3 实例计算
• 3.6 叶片五轴侧铣刀位优化算法研究
• 3.6.1 理论基础
• 3.6.2 锥刀刀位优化算法的建立
• 3.6.3 实例计算
• 3.7 小结
• 第4章 矩形薄板数控侧铣的加工变形数值分析
• 4.1 有限元法
• 4.1.1 基本概念
• 4.1.2 有限元计算步骤
• 4.2 矩形薄板加工变形的有限元模拟技术
• 4.2.1 矩形薄板侧铣加工变形分析
• 4.2.2 有限元模拟基本假设
• 4.2.3 矩形薄板侧铣加工变形有限元模拟流程
• 4.3 基于经验切削力模型的加工变形数值分析
• 4.3.1 模型简化
• 4.3.2 有限元模型
• 4.3.3 三向加工变形对比分析
• 4.3.4 沿刀具进给方向分析
• 4.3.5 沿刀具轴线方向分析
• 4.3.6 变形总体分析
• 4.4 基于柔性切削力模型的加工变形数值分析
• 4.4.1 模型简化
• 4.4.2 有限元模型
• 4.4.3 三向变形对比分析
• 4.4.4 沿刀具进给方向分析
• 4.4.5 沿刀具轴线方向分析
• 4.4.6 变形总体分析
• 4.5 小结
• 第5章 叶片五轴数控侧铣的加工变形数值分析
• 5.1 叶片五轴数控侧铣的有限元模拟技术
• 5.1.1 叶片加工现状分析
• 5.1.2 基本假设条件
• 5.1.3 铣削力模型确定与载荷施加方法
• 5.2 基于刚性切削力模型的加工变形数值分析
• 5.2.1 有限元模型
• 5.2.2 铣削力载荷计算与施加
• 5.2.3 变形分析
• 5.3 小结
• 第6章 薄壁件数控侧铣的加工变形控制策略
• 6.1 影响数控加工质量的误差因素分析
• 6.2 刀位轨迹修正误差补偿原理
• 6.3 矩形薄板单轴侧铣的刀具路径优化方法
• 6.4 复杂薄壁叶片五轴侧铣的刀具路径优化方法
• 6.5 小结
• 第7章 数控加工实验验证与分析
• 7.1 切削力模型实验
• 7.1.1 铣削力系数模型的系数确定设计方案
• 7.1.2 实验加工参数
• 7.1.3 实验及模型参数估计结果
• 7.2 基于经验铣削力模型的矩形薄板侧铣加工变形实验
• 7.2.1 实验方案
• 7.2.2 补偿前、后加工变形预测值与测量值对比分析
• 7.3 基于柔性铣削力模型的矩形薄板侧铣加工变形实验
• 7.3.1 实验方案
• 7.3.2 补偿前、后加工变形预测值与测量值对比分析
• 7.4 矩形薄板侧铣的变形理论计算验证分析
• 7.4.1 与已有文献理论解进行对比分析
• 7.4.2 与有限元预测和实验测量结果对比分析
• 7.5 叶片五轴侧铣变形的补偿前、后有限元预测对比
• 7.6 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文及成果