航空框类零件铣削加工有限元仿真及变形预测

论文摘要

加工效率和加工质量是先进机械加工技术的研究核心。在航空航天制造业中，为了减轻重量，提高飞机和航天器的强度和机动性能，如飞机中的整体壁板、框、整体翼肋和发动机的涡轮叶片等多数典型薄壁关键零件。这些薄壁构件普遍具有尺寸大、形状复杂、刚度弱、表面精度要求高等，加工中采用数控铣削加工成型。然而，在铣削过程中，加工效率低，对航空薄壁整体结构件变形机理尚不明确，切削用量、走刀路径、加工顺序等仅凭经验确定，无法实现基于零件变形预测的工艺参数优化，并且由于其弱刚度特征、残余应力、大切削力、装夹力等因素作用所引起的工件变形，使得实际切削参数不等于名义值，增大加工误差，从而降低加工精度及表面质量，甚至报废。为此，本文采用有限元数值仿真计算技术，对航空铝合金7075-T7451薄壁件铣削加工过程进行了深入研究。本仿真研究大致研究流程为：分析切削机理，建立刚体刀具三维斜角切削有限元模型→通过实验验证，建立硬质合金刀具三维斜角切削有限元模型→建立立铣削刀具模型，分析铝合金壁板加工成框类零件加工变形规律等→建立分析立铣削中工件上层材料加工对工件下层材料加工的影响。本文通过对航空铝合金7075-T7451薄壁件铣削加工有限元模拟研究，主要研究成果有：刚体刀具三维斜角切削力模型。在刀具视为刚体情况下，综合考虑了工件材料的性能参数，建立了微切削刃的三维斜角切削力有限元模型，并针对铣削过程进行了切削力测试，结果表明本研究提出的切削力有限元模型具有较高的精度（误差小于9%），对切削参数的优化提供了理论依据和便利工具。硬质合金刀具三维斜角切削力模型。基于上述刚体刀具三维斜角切削力模型研究的基础上，考虑了采用硬质合金材料刀具，建立了更完善的微切削刃三维斜角切削力有限元模型，揭示了切削加工过程中切削力和应力的分布规律，为有效的保护刀具提供了可靠的理论基础。立铣模型。在立铣刀具视为刚体情况下，模拟了壁板立铣削成整体框零件的加工过程，获得了加工变形、铣削力、应力、表面残余应力的大小与分布规律，加工过程中下层材料对上层材料加工的影响等。材料对切削力影响研究。基于以上立铣削研究的基础上，建立立铣削完全框模型和半框立铣削模型。研究了加工过程中上层材料对下层材料加工的影响。铣削同样厚度材料时，由于下层材料对上层材料有割力（断屑力），铣削上层材料时产生的切削热使下层材料温度升高而软化，刚度和硬度变小。以致铣削上层材料时铣削力曾大，铣削下层材料时铣削力变小，铣削上层材料铣削力>半框铣削力>铣削下层材料铣削力。切削参数优化。针对航空薄壁整体结构件加工易变形，以框类零件为加工对象，构建以最大加工变形为最小夹紧顺序优选模型，实现切屑厚度、进给速度、走刀路径、加工顺序、夹紧力大小、作用点位置、夹紧顺序的同步优化研究。本文研究属于应用基础性研究，带有普遍性，在数值仿真计算方面具有潜在的应用价值。在航空航天制造业中，本文研究将工艺规程制定建立在科学计算的基础上，对航空薄壁整体结构件及其它相关领域的加工具有重要的指导意义，优化铣削加工参数，提高数控加工效率和工艺制造水平，降低生产成本，提高零件表面质量和加工精度等方面具有现实的科学意义和工程应用价值。本文的切削仿真研究形成了有意义的工艺原则，为当今航空航天制造业追求高精度、高效率和高可靠性的加工需求提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 金属切削机理研究
• 1.2.2 装夹的研究
• 1.2.3 切削力的研究
• 1.2.4 加工误差的研究
• 1.2.5 工艺参数优化的研究
• 1.2.6 切削加工有限元模拟的研究
• 1.3 存在的问题及课题的提出
• 1.4 研究内容
• 1.5 研究方法、研究流程及工作
• 1.5.1 研究方法
• 1.5.2 研究流程
• 1.5.3 研究工作
• 1.6 有限元法的介绍
• 1.6.1 有限元法基本原理
• 1.6.2 有限元模拟求解方法及软件选择
• 1.7 论文的结构
• 第2章 金属铣削机理
• 2.1 引言
• 2.2 金属切削的变形过程
• 2.3 切削力分析
• 2.3.1 切削力的计算
• 2.3.2 影响切削力的因素
• 2.4 铣削加工分析
• 2.4.1 铣刀的介绍
• 2.4.2 铣削方式
• 2.5 立铣削加工模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 三维斜角切削力有限元模型
• 3.1 引言
• 3.2 有限元模拟关键技术
• 3.2.1 材料模型的设置
• 3.2.2 Johnson-Cook 塑性本构模型
• 3.2.3 工件与刀具的接触设置
• 3.2.4 切屑与工件的分离准则
• 3.3 刚体刀具三维斜角切削力有限元模型
• 3.3.1 刀具几何模型
• 3.3.2 模型建立
• 3.3.3 切削参数设置
• 3.3.4 网格的划分
• 3.3.5 切削模拟过程
• 3.3.6 切削仿真结果分析
• 3.4 硬质合金刀具三维斜角切削力有限元模型
• 3.4.1 模型建立
• 3.4.2 切削参数设置
• 3.4.3 网格的划分
• 3.4.4 切削模拟过程
• 3.4.5 切削仿真结果分析
• 3.5 实验验证与结论
• 3.5.1 切削力实验验证
• 3.5.2 切屑实验验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 框类零件有限元立铣模拟及变形分析
• 4.1 引言
• 4.2 立铣刀几何模型绘制
• 4.3 装夹方式确定及要求
• 4.3.1 弱刚度工件的装夹要求
• 4.3.2 装夹平衡约束
• 4.3.3 稳定性约束
• 4.3.4 工件变形计算
• 4.3.5 “3-2-1”定位准则
• 4.3.6 装夹方案确定
• 4.4 走刀路径确定
• 4.5 模型建立
• 4.6 有限元模拟过程
• 4.7 仿真结果及分析
• 4.7.1 切削力
• 4.7.2 被加工表面残余应力
• 4.7.3 工件加工变形
• 4.7.4 钻孔分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文及参与的科研项目
• 在学术刊物上发表的论文
• 主持及参与的科研项目
• 致谢