航空整體結(jié)構(gòu)件高效銑削加工基礎(chǔ)研究及應(yīng)用.pdf

1、航空工業(yè)具有產(chǎn)業(yè)鏈長、輻射面寬、聯(lián)帶效應(yīng)強的特點，是引領(lǐng)科技發(fā)展的重要國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。隨著航空先進(jìn)材料性能的不斷提升，大幅減輕了航空產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)強度和損傷容限，增強抗腐蝕性能，使結(jié)構(gòu)件的服役性能大幅提升。以最大限度提高結(jié)構(gòu)效率為主要目標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計整體化、輕量化和模塊化已經(jīng)成為先進(jìn)航空零件普遍采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其制造客觀上要求具有高材料去除率的加工工藝，以滿足零件對生產(chǎn)效率的要求。航空先進(jìn)材料價格高昂，普遍切削加工性較差，造成航

2、空整體結(jié)構(gòu)件制造工藝性較差，生產(chǎn)效率低，制造周期長，制造成本增加，對航空制造業(yè)提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而且，航空整體結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)剛性差，加工過程易發(fā)生切削顫振和加工變形，需要優(yōu)化加工參數(shù)，保證加工質(zhì)量，形成具有高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的成套制造工藝。航空整體結(jié)構(gòu)件的高效精密加工技術(shù)已經(jīng)成為衡量國家航空制造水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。
　　目前，國內(nèi)缺乏系統(tǒng)研究航空整體結(jié)構(gòu)件高效加工技術(shù)的研究工作，缺乏能夠在生產(chǎn)實踐中提供科學(xué)指導(dǎo)的切削加工物理模型，缺

3、少對機械加工系統(tǒng)動態(tài)性能及其對切削加工穩(wěn)定性影響的研究，特別對于航空整體結(jié)構(gòu)件復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征所具有的動態(tài)性能變化對加工穩(wěn)定性影響的研究還比較少。因此，研究航空整體結(jié)構(gòu)件的高效切削加工技術(shù)需要對實現(xiàn)高效加工的約束條件進(jìn)行建模預(yù)測，切削力和切削加工穩(wěn)定性是高效切削加工技術(shù)最基本的約束條件。在切削加工系統(tǒng)約束條件和邊界條件下尋找加工參數(shù)可行空間，綜合考慮加工成本和加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上尋求獲得最大加工效率的優(yōu)化加工參數(shù)。
　　本文首先針對銑削加

4、工力熱耦合建模進(jìn)行研究。建立了斜角切削幾何模型，并采用最小能量原理進(jìn)行求解。然后對三個加工變形區(qū)分別進(jìn)行了研究分析，求解第一變形區(qū)剪切應(yīng)力，第二變形區(qū)摩擦力和第三變形區(qū)產(chǎn)生的刃口力。根據(jù)斜角切削模型，轉(zhuǎn)換求解對應(yīng)的切削力系數(shù)。結(jié)合離散銑削力微元模型，求解并預(yù)測瞬時銑削力。該方法彌補了傳統(tǒng)的半解析方法實驗獲取切削力系數(shù)必須針對不同的刀具和材料組合重復(fù)進(jìn)行實驗的不足，可以減少重復(fù)銑削實驗帶來的材料浪費和人力消耗，為銑削力預(yù)測的實際應(yīng)用提供了

5、有利條件。
　　本文研究了切削加工動態(tài)力學(xué)建模和穩(wěn)定性分析，根據(jù)切削加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)特征，綜合考慮銑刀徑向跳動，刀具變形和振動對未變形切屑厚度的影響，以及未變形切屑厚度的動態(tài)再生效應(yīng)，建立動態(tài)銑削力模型。分析了切削加工系統(tǒng)各參數(shù)對切削加工穩(wěn)定性的影響，并在飛機水平尾翼鈦合金接頭精加工刀具選用和工藝參數(shù)優(yōu)化中進(jìn)行了應(yīng)用。
　　本文提出了實現(xiàn)航空整體結(jié)構(gòu)件高效加工的主要策略，提出了實現(xiàn)航空整體結(jié)構(gòu)件高效數(shù)控銑削加工的基本方案。

6、通過對切削加工穩(wěn)定性基礎(chǔ)理論進(jìn)行擴展，建立了基于銑削加工穩(wěn)定性和機床性能約束的大余量高效銑削加工工藝優(yōu)化方法和基于切削加工系統(tǒng)剛度動態(tài)變化條件下的高效精加工工藝優(yōu)化方法。針對大型客機平尾后梁緣條零件和接頭零件的特點，將上述工藝優(yōu)化方法應(yīng)用于兩類零件的粗加工和精加工工藝優(yōu)化，在現(xiàn)有機床性能條件下，實現(xiàn)了零件的高效粗加工；同時根據(jù)加工系統(tǒng)剛度的動態(tài)變化，研究了動態(tài)剛度條件下的切削加工系統(tǒng)三維穩(wěn)定性Lobe圖，建立了無顫振切削加工參數(shù)尋優(yōu)空間

7、，提出了變轉(zhuǎn)速無顫振加工工藝方法，實現(xiàn)零件高效精加工。
　　最后，本文研究了切削加工工藝的經(jīng)濟性評估方法，提出了切削加工經(jīng)濟性的粗加工和精加工分類評估方法，建立體積成本系數(shù)作為切削加工粗加工工序的經(jīng)濟性評估指標(biāo)，面積成本系數(shù)作為切削加工精加工工序的經(jīng)濟性評估指標(biāo)，分別表征切除單位體積或單位面積材料所消耗的費用。這兩個指標(biāo)綜合了機床費用，工人費用，刀具費用，材料去除率，加工時間等因素對制造成本的影響，為加工工藝的優(yōu)化決策提供重要經(jīng)濟