基于切削力精確建模的鈦合金薄壁件讓刀變形預(yù)測(cè)研究.pdf

1、隨著航空飛行器綜合性能的不斷提高，對(duì)航空器結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，例如更輕的結(jié)構(gòu)重量、更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、更長(zhǎng)的應(yīng)力疲勞壽命等。對(duì)于薄壁類結(jié)構(gòu)零件來(lái)說(shuō)，銑削加工是決定其加工精度和加工效率的關(guān)鍵技術(shù)，很大程度上決定了航空結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量和使用壽命。由于較低的結(jié)構(gòu)剛度，薄壁類結(jié)構(gòu)件銑削加工過(guò)程中容易出現(xiàn)嚴(yán)重的切削振動(dòng)和顫振、刀具及工件的彈性變形等現(xiàn)象，造成工件表面粗糙度下降以及工件的讓刀誤差。科學(xué)統(tǒng)計(jì)表明，造成航空薄壁件加工質(zhì)量不滿足加工精度要求

2、的情況中，超過(guò)70％是工件表面讓刀誤差造成的。由此可知，加工讓刀誤差大大制約了薄壁類結(jié)構(gòu)件的加工精度和效率，也很大程度上限制了高端航空飛行器的研發(fā)速度和規(guī)模生產(chǎn)。
　　 論文首先分析了整體銑刀三維切削力模型構(gòu)建方法。根據(jù)Yusuf建立的鈦合金直角切削力預(yù)測(cè)模型，將切削速度和刀具前角對(duì)切削力的影響規(guī)律引入預(yù)測(cè)系數(shù)模型，并通過(guò)鈦合金直角切削實(shí)驗(yàn)重新標(biāo)定了直角切削預(yù)測(cè)系數(shù)；借助等效前角將直角切削力預(yù)測(cè)系數(shù)應(yīng)用至斜角切削力的預(yù)測(cè)，并通過(guò)

3、整體刀具離散化建模和切削力向量迭加，建立了以切削中心角為自變量的整體銑刀三維切削力預(yù)測(cè)模型。
　　 提出并定義了薄壁件銑削中刀具-工件接觸副的概念，包括了銑削過(guò)程中刀具-工件接觸線方程、接觸區(qū)域切削中心角范圍、以及銑削層厚度建模等關(guān)鍵技術(shù)部分。首先根據(jù)刀具參數(shù)和工藝參數(shù)，研究了以切削中心角為自變量刀具-工件接觸線數(shù)學(xué)模型，并在考慮工件邊界范圍的基礎(chǔ)上對(duì)切削中心角范圍隨切削時(shí)間的變化進(jìn)行了分析；根據(jù)相鄰刀刃余擺線運(yùn)動(dòng)軌跡，借助泰勒

4、級(jí)數(shù)展開(kāi)法建立了薄壁件銑削層厚度的精確模型。進(jìn)而分析了多個(gè)切削刃同時(shí)參與切削情況下的接觸副建模方法。
　　 薄壁結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程中，刀具撓度變形對(duì)工件表面讓刀誤差有比較顯著的影響。同時(shí)對(duì)工件彈性變形和刀具彈性變形展開(kāi)研究是困難的，因此首先對(duì)銑削過(guò)程中整體銑刀的撓度變形預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究。構(gòu)建了等效直徑刀具懸臂梁模型，通過(guò)離散整體刀具及作用在切削刃上的銑削載荷，分析了刀具在任意方向集中載荷單獨(dú)作用下，沿特定方向撓度變形的求解方法。進(jìn)

5、而借助材料力學(xué)撓度疊加原理，通過(guò)各個(gè)方向撓度向量的疊加，構(gòu)建了切削載荷條件下整體刀具沿特定方向撓度變形的理論預(yù)測(cè)模型。并討論了多刃同時(shí)切削情況下的刀具撓度變形求解方法。最終構(gòu)建了以刀具撓度變形為反饋的工件表面讓刀誤差及切削力柔性預(yù)測(cè)模型。借助Matlab運(yùn)算工具實(shí)現(xiàn)了理論模型的預(yù)測(cè)，并通過(guò)鈦合金Ti6Al4V剛性工件銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型的預(yù)測(cè)精度。
　　 分析了利用薄板彈塑性力學(xué)求解薄壁件切削載荷下彎曲變形的可行性和關(guān)鍵步驟，

6、并借助李滋公式具體形式構(gòu)建了薄壁結(jié)構(gòu)隨切削過(guò)程的剛度時(shí)變特性數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)剛度時(shí)變特性的定量描述。通過(guò)分析刀具撓度變形和工件彎曲變形對(duì)刀具-工件接觸副的耦合作用規(guī)律，建立了考慮刀具-工件變形對(duì)銑削層厚度影響的薄壁變形控制方程載荷矩陣。借助數(shù)學(xué)迭代方法，構(gòu)建了以刀具-工件變形變形為反饋的薄壁件銑削加工表面讓刀誤差及切削力柔性預(yù)測(cè)系統(tǒng)方法。并借助Matlab實(shí)現(xiàn)了理論模型預(yù)測(cè)功能，進(jìn)行了鈦合金Ti6Al4V薄壁件銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理