【正文】 定義 TC4 薄壁件的材料屬性及網(wǎng)格劃分 ...................................................... 49 進(jìn)行諧響應(yīng)分析的設(shè)置 .......................................................................................... 49 加載 ...................................................................................................................... 50 觀察結(jié)果及后處理和 1mm 厚度時(shí)振幅與頻率之間的關(guān)系 ....................................... 50 比較 厚度和 1mm 厚度的薄壁回轉(zhuǎn)體諧響應(yīng)分析的結(jié)果 ............................... 53 本章小結(jié) ....................................................................................................................... 56 結(jié)論 ............................................................................................................................................ 57 致謝 ............................................................................................................................................ 58 參考 文獻(xiàn) ..................................................................................................................................... 59 附錄 A 英文原文 ....................................................................................................................... 61 附錄 B 漢語翻譯 ....................................................................................................................... 74 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 4 1 緒 論 論文研究背景及意義 隨著我國(guó)汽車工業(yè)，國(guó)防工業(yè) ,航空工業(yè)的飛速發(fā)展和不斷進(jìn)步，各類薄壁回轉(zhuǎn)體零件也不斷涌現(xiàn)，薄壁回轉(zhuǎn)體工件的精密加工卻是機(jī)械加工業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)榇祟惲慵膭偠群懿?，加工過程中力變形、熱變形比較嚴(yán)重，零件的尺寸精度和形位精度難以達(dá)到加 工要求，廢品率高，生產(chǎn)效率很低。例如內(nèi)燃機(jī)汽缸的汽缸套是內(nèi)燃機(jī)中磨損最嚴(yán)重的零件之一，也是決定內(nèi)燃機(jī)大修期的重要零件。隨著人們對(duì)大功率輕質(zhì)量小體積低油耗內(nèi)燃機(jī)的不斷追求，汽缸套變的越來越薄。如 4JB1 型柴油機(jī)的干式汽缸套，其外徑為 95mm，壁厚僅為 1mm，內(nèi)外壁表面粗糙度 m，重要尺寸公差和型位公差均為 5 級(jí)。在該類工件的切削加工中，內(nèi)壁鏜孔，珩磨和外圓磨削等工序常常產(chǎn)生強(qiáng)烈的振顫，加工后的缸套內(nèi)壁和外壁會(huì)留下波浪型的振紋，嚴(yán)重影響了加工質(zhì)量。又如某新型號(hào)炮彈，其材料為鋁合金，藥腔體直徑 200mm， 壁厚僅為 2mm，且腔體壁上還有一個(gè) 40mm 40mm 的方形通孔。現(xiàn)行工藝中在對(duì)其內(nèi)﹑外表面精車后，銑削方孔時(shí)工件常發(fā)生變形，廢品率極高?？v上所述，影響復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的主要因素是：工件的原始?xì)堄鄳?yīng)力、工件的裝夾、工件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、刀具的變形、工件受力變形、工件熱變形、機(jī)床的精度與剛度以及其它因素等。在國(guó)外，隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在航空制造中，一些大尺寸薄壁件，如：整體壁板、整體翼肋、整體隔框、以及變厚度蒙皮均采用數(shù)控高速銑削的方式加工，這些大尺寸的薄壁件減輕了飛行器的重量，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與生 產(chǎn)效率。所以，嚴(yán)格控制切削時(shí)的加工變形誤差是結(jié)構(gòu)件滿足工作性能、裝配精度和工作可靠度等要求的基本保障。由于結(jié)構(gòu)件的彈性柔度特性（如某型號(hào)機(jī)翼大梁長(zhǎng)約 10多米），由切削力及切削應(yīng)力所引起的構(gòu)件彈性變形是不可避免的，同時(shí)這也是導(dǎo)致加工誤差的主要原因。在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行定量的分析，合理的進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)包括正確的選擇加工工藝參數(shù)，以保證加工誤差滿足制造精度的要求。 工藝設(shè)計(jì)和加工過程是產(chǎn)品生命周期中的兩個(gè)重要的環(huán)節(jié)，工藝參數(shù)合理與否將直接影響加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。因此這兩個(gè)環(huán)節(jié)間的信息交流和反饋對(duì)加工尤為重要。由于加工過 程極為復(fù)雜，很難憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行評(píng)估，因此，沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 5 必須通過計(jì)算機(jī)仿真加以預(yù)測(cè)，以便對(duì)加工工藝和加工過程參數(shù)進(jìn)行選擇優(yōu)化。 對(duì)薄壁件用數(shù)控高速切削機(jī)床進(jìn)行加工，如果我們能夠建立薄壁件加工時(shí)的預(yù)評(píng)估模型，掌握加工時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)加工精度的影響。我們就可以以此為依據(jù)對(duì)加工工藝進(jìn)行合理的優(yōu)化。 本課題旨在研究高速車銑薄壁件時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)加工精度的影響、分析薄壁圓筒在加工時(shí)的受力，建立薄壁圓筒在加工時(shí)的振動(dòng)方程，以及各個(gè)加工參數(shù)對(duì)加工變形的影響。因此開展此課題的研究具有很強(qiáng)的實(shí)際意義和很高的應(yīng)用價(jià)值。 國(guó)內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 薄壁件的變形研究在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛的關(guān)注，許多科技工作者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究，提出了許多好的方案并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)已開展的薄壁件加工變形方面的研究，主要是結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，提出了一些加工過程中某些具體工件或具體工序的解決方案，也對(duì)殘余應(yīng)力的測(cè)試總結(jié)出了一些原則另外對(duì)仿真作了一定的理論研究。這些研究雖然解決了一些加工中的具體問題，但一般是以過去的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，憑主觀推理應(yīng)用到新零件的加工過程中。各工廠大多以技術(shù)攻關(guān)方式解決了一些具體零件的加工變形問題，基本上對(duì)其 它的零件加工沒有太大的指導(dǎo)作用，也難以形成基本的工藝方法指導(dǎo)體系。浙江大學(xué)在這方面的研究主要針對(duì)工件受銑削力影響產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，另外對(duì)原始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)加工變形的影響，裝夾方案對(duì)加工變形的影響也有所涉獵，在加工變形誤差計(jì)算方面，國(guó)內(nèi)的蔡慧林 【 2】 使用材料力學(xué)的梁彎曲公式，粗略的考慮了小尺寸銑刀順銑時(shí)由于刀具彎曲變形所引起的工件尺寸誤差與刀具補(bǔ)償措施，但由于模型過于簡(jiǎn)單，該方法只能用于定性研究模具等高剛度構(gòu)件加工的建模，不適用與薄壁件的加工變形仿真。目前，北京航空航天大學(xué)的魏麗和鄭聯(lián)語 【 3,4】 研究了改進(jìn)薄壁件 數(shù)控加工質(zhì)量的進(jìn)給量局部?jī)?yōu)化法，定性地提出將優(yōu)化過程分為四步：修改切削參數(shù)、確定關(guān)鍵區(qū)域、確定邊界點(diǎn)、修改刀位文件。南京航空航天大學(xué)的王志剛等人與成都飛機(jī)工業(yè)公司張平等人 【 5】 合作在假設(shè)刀具為剛體的情況下運(yùn)用 ARSYS 有限元軟件模擬了航空零件典型結(jié)構(gòu) —— 方框銑削加工的變形和刀具補(bǔ)償方法，根據(jù)定性的分析，假設(shè)了切削力的分布公式。沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 6 之后，南京航空航天大學(xué)的武凱等人 【 6】 在他的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步提出了將工件和刀具都視為彈性件，建立了工件和刀具的柔性模型，并用有限元軟件進(jìn)行了模擬與試驗(yàn)。在試驗(yàn)中他們采用的是真空吸附夾緊方 式。南方航空動(dòng)力機(jī)械公司譚彪和南京航空航天大學(xué)范炳炎 【 7】 使用 Algon SAP91 有限元系統(tǒng)對(duì)某型號(hào)飛機(jī)主梁的加工開展了有限元建模與變形分析。西飛國(guó)際數(shù)控中心李應(yīng)時(shí) [8]在“準(zhǔn)高速”切削條件下對(duì)某型機(jī)進(jìn)氣道唇口口框零件從工藝的安排上進(jìn)行了分析，解決了工件加工的變形問題。北京衛(wèi)星制造廠趙長(zhǎng)喜、劉景祥 [9]從組合工裝的設(shè)計(jì)方面對(duì)某型衛(wèi)星的艙體類零件進(jìn)行了研究，等等。 國(guó)外研究現(xiàn)狀 目前國(guó)外在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工變形方面，常用的方法有應(yīng)力分析控制法、薄壁件的低熔點(diǎn)合金支持法、夾具特性分析與夾緊優(yōu)化分析等。 但是，影響因素的復(fù)雜性使航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形成為飛機(jī)制造中的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家也是如此，一些個(gè)別的變形控制技術(shù)則是金錢難以買到的機(jī)密。但有關(guān)子技術(shù)的類似問題己經(jīng)有很多文獻(xiàn)介紹研究成果：薄壁零件銑削表面誤差的靜態(tài)有限元分析和動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型；應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床熱變形的補(bǔ)償方法；利用試驗(yàn)和分析兩種方法，來預(yù)測(cè)因裝夾而引起的工件變形，并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。從中可以看出，?guó)外在工件的裝夾、工件受力變形及機(jī)床的熱變形對(duì)加工變形的影響方面做了一定的研究工作。例如，利用磁流變液相變迅速、屈服強(qiáng)度大等特點(diǎn)， Targ研 究了磁流變液柔性夾具的可能性。但由于典型磁流變液的屈服強(qiáng)度約為100kpa,而這對(duì)柔性夾具來說是不夠的。 Targ 采用加壓的方法使磁流變液的屈服強(qiáng)度達(dá)到了 800kpa 以上，從而滿足了精密加工所需的承載能力 【 8】 。 Gu 等人 [10]在研究面銑過程工件變形誤差的預(yù)估方法又進(jìn)一步考慮了刀具、工件變形以及主軸傾斜因素的影響。此外， Masset 等人 【 11】 使用 Kierzle 指數(shù)切削力模型研究了車削與面銑加工變形誤差的有限元計(jì)算策略問題，基于 IDEAS 軟件強(qiáng)大的 CAD建模與單元網(wǎng)格劃分功能，將 IDEAS 與 RASTRAR 求解器集成在一起。該方法已被應(yīng)用于法國(guó)雷諾汽車公司的 proactive 新款汽車齒輪箱部件的加工精度控制領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在周銑加工方面， Elbetawi 與 Sagheriar【 12】 從刀具與工件的動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)建立了薄壁件變形仿真模型。工件采用 8 節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元近似，銑刀近似為一系列軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)盤單元的集合，提出了加工參數(shù)與刀具沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 7 幾何參數(shù)的優(yōu)化選取方法。 Budak 和 Altintas【 13】 深入研究了具有三邊自由，一邊固定邊界條件的高柔度矩形薄壁板件的數(shù)值建模與銑削變形誤差問題。該模型考慮了因材料的去除而引 起的工件剛度降低的效應(yīng)，同時(shí)對(duì)考慮刀具 —— 工件相互作用的柔性效應(yīng)模型與不考慮該效應(yīng)的剛性模型進(jìn)行了計(jì)算比較和試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)對(duì)于柔性效應(yīng)薄壁件模型具有很高的準(zhǔn)確性，而剛性模型計(jì)算誤差最大可達(dá)50％。此外，該工作還提出了通過調(diào)整刀具進(jìn)給速度減小加工變形誤差的思路，并建立了滿足公差要求的進(jìn)給速度粗略近似比例計(jì)算方法。毫無疑問，該工作代表著目前最有成效的研究成果。另一方面，高速切削加工（ High speed machining）過程的建模也得到了廣泛的重視， oze【 14】 使用有限元非線性軟件 DEFOM2D 研究了切 削應(yīng)力、切削溫度的分布狀況。 Fuh 等人 【 15】 利用傅立葉級(jí)數(shù)展開方法研究了主軸轉(zhuǎn)速、刀具進(jìn)給量、軸向、徑向切削深度與切削力的關(guān)系。但是，影響因素的復(fù)雜性使航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形成為飛機(jī)制造中的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家也是如此，一些個(gè)別的變形控制技術(shù)則是金錢難以買到的機(jī)密。但有關(guān)問題的子技術(shù)已有許多文獻(xiàn)介紹：薄壁件銑削表面誤差的靜態(tài)有限元分析和動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型；應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床熱變形的補(bǔ)償；利用試驗(yàn)和分析的方法，來預(yù)測(cè)因裝夾引起的變形，并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。從中可以看出，?guó)外在工件的裝夾、工件受力變形及機(jī)床的 熱變形對(duì)加工變形的影響方面做了很多的研究。 1． 3 研究的內(nèi)容及方法 薄壁零件剛性差，在加工過程中因受到切削力、夾緊力以及切削熱和殘余應(yīng)力極易產(chǎn)生變形，所以控制加工變形是保證薄壁零件數(shù)控加工質(zhì)量的關(guān)鍵，在眾多的加工變形控制措施中，如進(jìn)給量局部調(diào)整、刀具路徑修正、改進(jìn)裝夾方案和改進(jìn)毛坯的結(jié)構(gòu)工藝性等，本課題的研究對(duì)象是薄壁零件。航空航天產(chǎn)品由于受使用條件和環(huán)境的制約，對(duì)材料有很高的要求。對(duì)航空材料來說，以鋁合金、鈦合金、鎂合金為主，另外有少量的超高強(qiáng)度鋼和不銹鋼等。鋁合金密度適中、塑性好、耐腐蝕、易加工、價(jià)格低 ，一直以來都是航空航天工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料。 本文采用理論分析、數(shù)學(xué)建模、有限元模態(tài)分析和試驗(yàn)的方法開展研究工作。開展研究工作之前，綜合考慮各種試驗(yàn)條件、經(jīng)濟(jì)條件，力求研究方法實(shí)用可行。它包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： (1)．建立車銑薄壁回轉(zhuǎn)體的動(dòng)力學(xué)模型。 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 8 (2)．使用 ANSYS 對(duì)薄壁圓筒進(jìn)行 靜力 分析。 (3)． 使用 ANSYS 對(duì)薄壁圓筒進(jìn)行模態(tài)分析。 (4). 使用 ANSYS 對(duì)薄壁圓筒進(jìn)行諧響應(yīng)分析。 本章小結(jié) 本章首先介紹了本論文的研究背景及現(xiàn)實(shí)意義，然后介紹了薄壁件變形研究的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后提出 本論文的主要研究?jī)?nèi)容及方法。 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 9 2 車銑加工方法 車銑加工 的概念 車銑是利用銑刀旋轉(zhuǎn)