【正文】 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文薄壁圓筒銑削的動力學(xué)分析摘 要薄壁回轉(zhuǎn)體工件加工一直是機械加工業(yè)的一個難點，因為此類零件的剛度很差，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。本文根據(jù)高速切削和車銑技術(shù)的優(yōu)越性，從建立切削薄壁回轉(zhuǎn)體的動力學(xué)模型出發(fā)，應(yīng)用大型有限元軟件Ansys對薄壁回轉(zhuǎn)體工件進(jìn)行了靜力分析，模態(tài)分析，諧響應(yīng)分析。并詳細(xì)分析了在不同厚度時的薄壁件的固有頻率的變化關(guān)系以及它的合位移等值線圖的變化規(guī)律，從厚度4㎜㎜。由靜力分析得出，薄壁回轉(zhuǎn)體所能承受的最大應(yīng)力和最大位移量；由模態(tài)分析得出，薄壁件的固有頻率與工件的厚度關(guān)系，并且和工件的材料與薄壁件的長度有關(guān)系，隨著厚度的增大薄壁件的固有頻率也隨著增大。由模態(tài)分析得到的合位移等值線圖看出，薄壁回轉(zhuǎn)體的各階的固有頻率處的最大變形有很大區(qū)別，因此在進(jìn)行切削時就要選擇好刀具的切削頻率。在同一位置，若切削速度選的不好就可能和薄壁件的固有頻率一樣，引起共振；由諧響應(yīng)分析得出，在切削的過程中，在什么頻率下切削引起的共振振幅最大，在切削過程中應(yīng)盡力避開這幾個頻率切削。關(guān)鍵詞：薄壁回轉(zhuǎn)體，車銑，有限元，靜力分析，模態(tài)分析，諧響應(yīng)分析目 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 11 車銑技術(shù)的主要內(nèi)容 12 正交車銑運動學(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 漢語翻譯 741 緒 論 論文研究背景及意義隨著我國汽車工業(yè)，國防工業(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械加工業(yè)的一個難點，因為此類零件的剛度很差，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)燃機汽缸的汽缸套是內(nèi)燃機中磨損最嚴(yán)重的零件之一，也是決定內(nèi)燃機大修期的重要零件。隨著人們對大功率輕質(zhì)量小體積低油耗內(nèi)燃機的不斷追求，汽缸套變的越來越薄。如4JB1型柴油機的干式汽缸套，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。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)生強烈的振顫，加工后的缸套內(nèi)壁和外壁會留下波浪型的振紋，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40mm40mm的方形通孔?，F(xiàn)行工藝中在對其內(nèi)﹑外表面精車后，銑削方孔時工件常發(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、機床的精度與剛度以及其它因素等。在國外，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)強度與生產(chǎn)效率。所以，嚴(yán)格控制切削時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（如某型號機翼大梁長約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，同時這也是導(dǎo)致加工誤差的主要原因。在設(shè)計階段進(jìn)行定量的分析，合理的進(jìn)行工藝設(shè)計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)計和加工過程是產(chǎn)品生命周期中的兩個重要的環(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。因此這兩個環(huán)節(jié)間的信息交流和反饋對加工尤為重要。由于加工過程極為復(fù)雜，很難憑借經(jīng)驗對整個過程進(jìn)行評估，因此，必須通過計算機仿真加以預(yù)測，以便對加工工藝和加工過程參數(shù)進(jìn)行選擇優(yōu)化。對薄壁件用數(shù)控高速切削機床進(jìn)行加工，如果我們能夠建立薄壁件加工時的預(yù)評估模型，掌握加工時的動力學(xué)特性對加工精度的影響。我們就可以以此為依據(jù)對加工工藝進(jìn)行合理的優(yōu)化。本課題旨在研究高速車銑薄壁件時的動力學(xué)特性對加工精度的影響、分析薄壁圓筒在加工時的受力，建立薄壁圓筒在加工時的振動方程，以及各個加工參數(shù)對加工變形的影響。因此開展此課題的研究具有很強的實際意義和很高的應(yīng)用價值。薄壁件的變形研究在國內(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)實踐。目前國內(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，也對殘余應(yīng)力的測試總結(jié)出了一些原則另外對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踐經(jīng)驗為基礎(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工件受銑削力影響產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，另外對原始?xì)堄鄳?yīng)力對加工變形的影響，裝夾方案對加工變形的影響也有所涉獵，在加工變形誤差計算方面，國內(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由于刀具彎曲變形所引起的工件尺寸誤差與刀具補償措施，但由于模型過于簡單，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)給量局部優(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、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。在試驗中他們采用的是真空吸附夾緊方式。南方航空動力機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)對某型號飛機主梁的加工開展了有限元建模與變形分析。西飛國際數(shù)控中心李應(yīng)時[8]在“準(zhǔn)高速”切削條件下對某型機進(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)星制造廠趙長喜、劉景祥[9]從組合工裝的設(shè)計方面對某型衛(wèi)星的艙體類零件進(jìn)行了研究，等等。目前國外在復(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制造中的關(guān)鍵難點之一。在歐美發(fā)達(dá)國家也是如此，一些個別的變形控制技術(shù)則是金錢難以買到的機密。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)有限元分析和動態(tài)預(yù)報模型；應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)控機床熱變形的補償方法；利用試驗和分析兩種方法，來預(yù)測因裝夾而引起的工件變形，并進(jìn)行補償?shù)?。從中可以看出，國外在工件的裝夾、工件受力變形及機床的熱變形對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、屈服強度大等特點，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度約為100kpa,而這對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算策略問題，基于IDEAS軟件強大的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)濟效益。在周銑加工方面，Elbetawi與Sagheriar【12】從刀具與工件的動力學(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)點實體單元近似，銑刀近似為一系列軸對稱旋轉(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)，同時對考慮刀具——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)行了計算比較和試驗驗證，發(fā)現(xiàn)對于柔性效應(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制造中的關(guān)鍵難點之一。在歐美發(fā)達(dá)國家也是如此，一些個別的變形控制技術(shù)則是金錢難以買到的機密。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)有限元分析和動態(tài)預(yù)報模型；應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)控機床熱變形的補償；利用試驗和分析的方法，來預(yù)測因裝夾引起的變形，并進(jìn)行補償?shù)?。從中可以看出，國外在工件的裝夾、工件受力變形及機床的熱變形對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，對材料有很高的要求。對航空材料來說，以鋁合金、鈦合金、鎂合金為主，另外有少量的超高強度鋼和不銹鋼等。鋁合金密度適中、塑性好、耐腐蝕、易加工、價格低，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，綜合考慮各種試驗條件、經(jīng)濟條件，力求研究方法實用可行。它包括以下幾個方面的內(nèi)容：(1)．建立車銑薄壁回轉(zhuǎn)體的動力學(xué)模型。(2)．使用ANSYS對薄壁圓筒進(jìn)行靜力分析。(3)．使用ANSYS對薄壁圓筒進(jìn)行模態(tài)分析。(4). 使用ANSYS對薄壁圓筒進(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)實意義，然后介紹了薄壁件變形研究的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后提出本論文的主要研究內(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)的合成運動來實現(xiàn)對工件的切削加工，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)給四個基本運動。銑刀的旋轉(zhuǎn)運動是主切削運動。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)給速度三個基本速度共同決定，其中工件旋轉(zhuǎn)速度對進(jìn)給速度的影響遠(yuǎn)大于其它兩個基本速度。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)時沿工件軸向（或徑向）移動距離的乘積。銑刀的直線進(jìn)給運動根據(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）運動，也可同時采用軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給（如加工錐體零件）運動。，車銑不是單純的將車和銑兩種加工手段合并到一臺機床上，而是利用車銑合成運動來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，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，它不能對內(nèi)孔進(jìn)行