【正文】 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文薄壁圓筒銑削的動(dòng)力學(xué)分析設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄1 緒 論 1 1 5 5 6 7 82 車銑加工方法 9 9 10 車銑技術(shù)的主要特點(diǎn) 11 車銑技術(shù)的主要內(nèi)容 12 正交車銑運(yùn)動(dòng)學(xué) 12 車銑中的圓周刃、端面刃切削力 13 主要切削參數(shù)對(duì)圓周刃、端面刃切削力 163 薄壁回轉(zhuǎn)體靜力分析 18 18 18 17 17 18 TC4薄壁件的靜力分析流程 19 后處理 21 本章小結(jié) 244 薄壁回轉(zhuǎn)體的模態(tài)分析 25 25 25 模態(tài)分析的基本步驟 29 29 29 30 31 TC4薄壁件的模態(tài)分析流程 31 后處理 31 31 41 本章小結(jié) 445 薄壁回轉(zhuǎn)體的諧響應(yīng)分析 46 諧響應(yīng)分析的基本概念 46 諧響應(yīng)分析的基本步驟 46 46 47 47 TC4薄壁件諧響應(yīng)分析流程 48 49 49 50 50 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(yǔ)翻譯 741 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(lái)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，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)40mm40mm的方形通孔?，F(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，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。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。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(yǔ)【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。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。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(lái)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?shī)A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?shī)A具來(lái)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(wú)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(lái)預(yù)測(cè)因裝夾引起的變形，并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)取闹锌梢钥闯?，?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(lái)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(lái)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。(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。2 車銑加工方法 車銑加工的概念車銑是利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切削加工，使工件在形狀精度、位置精度、表面粗糙度及殘余應(yīng)力等多方面達(dá)到使用要求的一種先進(jìn)切削加工方法。它不是車削與銑削的簡(jiǎn)單結(jié)合，而是在當(dāng)今數(shù)控技術(shù)得到較大發(fā)展的條件下產(chǎn)生的一種高新切削技術(shù)。車銑加工包括銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給四個(gè)基本運(yùn)動(dòng)。銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主切削運(yùn)動(dòng)。切削速度由銑刀旋轉(zhuǎn)速度和工件旋轉(zhuǎn)速度共同決定，其中銑刀旋轉(zhuǎn)速度是決定切削速度的主要因素，特別是在高速、超高速車銑加工中，工件旋轉(zhuǎn)速度對(duì)切削速度的影響可以被忽略。切削的進(jìn)給速度由工件旋轉(zhuǎn)速度、銑刀軸向進(jìn)給速度和徑向進(jìn)給速度三個(gè)基本速度共同決定，其中工件旋轉(zhuǎn)速度對(duì)進(jìn)給速度的影響遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)基本速度。工件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向線速度即為銑刀的周向進(jìn)給速度，它的大小等于工件的轉(zhuǎn)速與工件周長(zhǎng)的乘積；銑刀的軸向（或徑向）進(jìn)給速度則等于工件的轉(zhuǎn)速與銑刀在工件每轉(zhuǎn)時(shí)沿工件軸向（或徑向）移動(dòng)距離的乘積。銑刀的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)根據(jù)不同加工的需要可采用軸向進(jìn)給（如加工軸類零件）或徑向進(jìn)給（如加工盤類零件）運(yùn)動(dòng)，也可同時(shí)采用軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給（如加工錐體零件）運(yùn)動(dòng)。，車銑不是單純的將車和銑兩種加工手段合并到一臺(tái)機(jī)床上，而是利用車銑合成運(yùn)動(dòng)來(lái)完成各類表面的加工。依據(jù)工件旋轉(zhuǎn)軸線與刀具旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)位置的不同，車銑加工主要可分為軸向車銑、正交車銑以及一般車銑。依據(jù)工件和刀具旋轉(zhuǎn)相對(duì)方向的不同，它們又都可分為順銑和逆銑兩種不同的形式。其中軸向車銑和正交車銑是應(yīng)用范圍最廣泛的兩類車銑加工方法，它們分別有各自的特點(diǎn)及局限性。軸向車銑由于銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)軸線相互平行，因此它不但可以加工外圓表面，也可加工內(nèi)孔表面。但由于它們的旋轉(zhuǎn)軸線相互平行，如銑刀直徑小于其主軸箱體徑向尺寸時(shí)，就限制了銑刀的縱向行程，這種情況下不適宜用軸向車銑加工軸向行程較長(zhǎng)的外圓表面或較深的內(nèi)孔表面。與此相反，如銑刀直徑大于其主軸箱體徑向尺寸，軸向車銑也可進(jìn)行長(zhǎng)軸外圓和深孔內(nèi)表面的車銑加工。正交車銑由于銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直，它不能對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行加工，但在加工外圓表面時(shí)由于銑刀的縱向行程不受限制，且可以采用較大的縱向進(jìn)給，因此在加工外圓表面時(shí)效率較高。 車銑技術(shù)的發(fā)展歷史 與其它科學(xué)技術(shù)一樣，車銑技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展與生產(chǎn)實(shí)踐是分不開的。，在《生產(chǎn)技術(shù)》上發(fā)表了《用硬質(zhì)合金刀具銑削圓柱表面》一文[1]，詳細(xì)介紹了銑削圓柱表面時(shí)進(jìn)給量、切削速度等主要參數(shù)的選用，并對(duì)已加工件的表面精度進(jìn)行了詳細(xì)研究。該文獻(xiàn)對(duì)后來(lái)車銑技術(shù)的研究產(chǎn)生了重要的影響，它介紹的用銑刀加工圓柱表面的方法，就是車銑技術(shù)的一種基本加工方法軸向車銑的早期萌芽?！盾囥娂夹g(shù)》[2]中系統(tǒng)地研究了車銑技術(shù)的另一種基本加工方法—正交車銑，對(duì)正交車銑的運(yùn)動(dòng)原理、已加工件的表面精度、切削力、切削速度等進(jìn)行了開拓性的研究工作。目前，德國(guó)的Aachen工業(yè)大學(xué)和Darmstadt工業(yè)大學(xué)都設(shè)有專門從事車銑技術(shù)研究的研究中心。這兩個(gè)研究中心是德國(guó)11個(gè)重要的機(jī)械研究中心中主要的兩個(gè)，各類實(shí)驗(yàn)用的機(jī)床、測(cè)試儀器及科研設(shè)備非常齊全，科研水平處于世界前列。在這兩個(gè)研究中心里，眾多的科研人員在車銑原理、車銑運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)、已加工件表面質(zhì)量、不同材料的車銑工藝性、車銑加工中心的設(shè)計(jì)與測(cè)試以及CAD/CAM等多個(gè)領(lǐng)域