薄壁结构切削加工变形主动补偿与仿真技术研究

论文摘要

在航空航天工业中,对于薄壁结构件,数控切削加工是一种被广泛采用的机械加工方法。然而,由于这些结构件具有弱刚度的特征,在实际加工过程中,容易产生由刀具/工件变形引起的加工误差,这就严重影响了工件的加工精度及表面质量,甚至会造成零件报废。因而,针对薄壁件在切削过程中的加工变形进行预测及主动补偿技术的研究,对提高薄壁零件加工质量和加工效率具有重要意义。本文研究了薄壁件切削加工过程中切削力对低刚度件的影响,预测出零件的让刀变形,根据预测的加工变形采用有效的主动补偿,从而使零件的加工误差控制在要求的范围内。主要工作如下:首先,分析几种典型中小型薄壁零件的有限元模拟加工方法,与试验数据对比,确定了用有限元仿真切削加工过程的可行性;其次,研究误差主动补偿方法,通过对样本点变形的预测,并运用迭代算法求得样本点的优化误差补偿量,基于补偿量运用拉格朗日插值、最小二乘法的多项式拟合、加权最小二乘法的多项式拟合、B样条拟合等多种数学方法求出刀位轨迹上其它点的补偿量,进而实现走刀路径和数控程序的修改,达到主动补偿的目的;再次,开发切削加工变形主动补偿程序生成系统,该系统采用VC++和Matlab混合编程的方法,能生成直观的数据比较图形、刀位补偿轨迹和输出数控补偿程序;最后,以薄壁镜座、薄壁框零件为例,在理论分析和数值仿真的基础上,通过补偿软件修改了加工路径和加工程序,并进行了切削加工试验,验证了本文对中小型薄壁零件加工变形主动补偿方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 课题研究的现状以及存在的问题
• 1.2.1 加工仿真预测变形的研究现状与不足
• 1.2.2 变形主动补偿技术的研究现状与不足
• 1.3 课题研究的内容及章节安排
• 第二章 薄壁件切削加工变形有限元分析
• 2.1 切削力的预测
• 2.2 基于ABAQUS 的加工变形预测流程分析
• 2.2.1 有限元方法简介
• 2.2.2 有限元计算步骤
• 2.2.3 变形预测有限元模型
• 2.2.3.1 几点假设
• 2.2.3.2 变形预测模型及流程
• 2.3 两种典型薄壁零件精铣加工的变形分析
• 2.3.1 薄壁镜座零件精铣加工变形预测
• 2.3.2 薄壁框零件精铣加工变形预测
• 2.3.2.1 薄壁框上端面精铣加工变形预测
• 2.3.2.2 薄壁框侧壁精铣加工变形预测
• 2.3.3 仿真结果分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 切削加工弹性变形误差补偿机理
• 3.1 加工变形补偿策略
• 3.2 刀具路径补偿原理
• 3.3 补偿值确定
• 3.3.1 完全补偿
• 3.3.2 优化值补偿
• 3.4 刀具路径补偿实例分析
• 3.4.1 镜座零件的刀具路径优化
• 3.4.2 薄壁框零件的刀具路径补偿
• 3.4.2.1 上端面的刀具路径补偿方法
• 3.4.2.2 侧壁的刀具路径补偿方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 加工变形主动补偿程序生成系统开发
• 4.1 系统的功能需求
• 4.2 补偿点拟合方法
• 4.3 线型主动补偿点拟合方法
• 4.3.1 Lagrange 多项式插值
• 4.3.2 三次样条插值
• 4.3.3 B 样条曲线
• 4.3.4 最小二乘法多项式拟合
• 4.3.5 加权最小方差拟合
• 4.3.6 不同拟合方法的比较与选用
• 4.4 平面补偿点拟合方法
• 4.4.1 局部单条路径补偿
• 4.4.2 整体补偿
• 4.5 系统开发与应用
• 4.5.1 系统开发工具
• 4.5.2 用Matlab 实现插值的方法
• 4.5.3 总体开发流程
• 4.5.4 系统应用界面
• 4.6 本章小结
• 第五章 数值仿真及试验验证
• 5.1 加工环境及设备
• 5.2 薄壁零件补偿验证
• 5.2.1 算例1：薄壁镜座零件
• 5.2.2 算例2：薄壁框零件
• 5.2.2.1 薄壁框上端面
• 5.2.2.2 薄壁框侧壁
• 5.2.3 试验验证结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文