【正文】 加載結(jié)構(gòu)載荷和熱載荷，只在計算有預(yù)應(yīng)力的影響時才會考慮載荷。得到如圖所示的模型。只有經(jīng)過模態(tài)擴展才可以在后處理中查看振型。本計算也采用了集中質(zhì)量矩陣。有限元法的基本思想是將彈性體離散成有限個單元 ()式中、和分別是結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，和分別是結(jié)點位移和結(jié)點載荷向量。由于結(jié)構(gòu)的振動特性決定結(jié)構(gòu)對于各種動力載荷的響應(yīng)情況，所以在準備進行其他動力分析之前首先要進行模態(tài)分析。由此可知在厚度逐漸減小的過程中，薄壁回轉(zhuǎn)體承受的最大應(yīng)力逐漸增大。由此得到：根據(jù)經(jīng)驗公式進行仿真得到圓周刃切削力和端面刃切削力由此取圓周切削刃力為55N。建立一個外徑半徑為100mm厚度為1mm的薄壁圓筒。 加載。靜力分析中的載荷：靜力分析用于計算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。 =2mm。切削深度的增大對端面刃切削力基本沒有影響，但圓周刃切削力卻成正比增大，而軸向進給量的增大對圓周刃切削力基本沒有影響，但端面刃切削力卻成正比增大。 切削深度對圓周刃、端面刃切削力的影響=10r/min。 =0mm。圓周刃切削力對整個刀齒切削力的大小起主導作用，并且圓周刃在切削后半程切削力迅速降低。 =100mm。 =2mm。（3）從銑削動力裝置與被加工件相對位置可斷定，正交車銑更適于復(fù)雜結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)體的加工和長軸類工件的加工。在這樣一臺車銑中心上可實現(xiàn)車、銑、鉆、鏜等多個工序的一次裝夾完全加工，從而大大降低了重復(fù)裝夾誤差。(2)大型薄壁件回轉(zhuǎn)體的精加工。 (5)工件轉(zhuǎn)速相對較低，加工薄壁件時幾乎沒有由于離心力產(chǎn)生的變形。 目前，車銑技術(shù)正在逐步轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，使用車銑工藝將會對金屬切削技術(shù)，乃至零件的設(shè)計理念產(chǎn)生極大的推動作用，使對零件的設(shè)計、加工由傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)向先進制造領(lǐng)域。該中心在國家科學技術(shù)部“九五”重大攻關(guān)課題的資助下，在車銑技術(shù)的基礎(chǔ)理論、車銑工藝、CNC車銑加工中心的設(shè)計和制造等方向進行著研究。開創(chuàng)了高速、超高速車銑新領(lǐng)域。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)孔進行加工，但在加工外圓表面時由于銑刀的縱向行程不受限制，且可以采用較大的縱向進給，因此在加工外圓表面時效率較高。銑刀的直線進給運動根據(jù)不同加工的需要可采用軸向進給（如加工軸類零件）或徑向進給（如加工盤類零件）運動，也可同時采用軸向進給和徑向進給（如加工錐體零件）運動。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。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。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。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。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。目前，北京航空航天大學的魏麗和鄭聯(lián)語【3,4】研究了改進薄壁件數(shù)控加工質(zhì)量的進給量局部優(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。我們就可以以此為依據(jù)對加工工藝進行合理的優(yōu)化。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。沈陽理工大學學士學位論文薄壁圓筒銑削的動力學分析設(shè)計畢業(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 11 車銑技術(shù)的主要內(nèi)容 12 正交車銑運動學 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 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、熱變形比較嚴重，零件的尺寸精度和形位精度難以達到加工要求，廢品率高，生產(chǎn)效率很低。縱上所述，影響復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的主要因素是：工件的原始殘余應(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。對薄壁件用數(shù)控高速切削機床進行加工，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特性對加工精度的影響。浙江大學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，另外對原始殘余應(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。Gu等人[10]在研究面銑過程工件變形誤差的預(yù)估方法又進一步考慮了刀具、工件變形以及主軸傾斜因素的影響。毫無疑問，該工作代表著目前最有成效的研究成果。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。(4). 使用ANSYS對薄壁圓筒進行諧響應(yīng)分析。工件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向線速度即為銑刀的周向進給速度，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。與此相反，如銑刀直徑大于其主軸箱體徑向尺寸，軸向車銑也可進行長軸外圓和深孔內(nèi)表面的車銑加工。在這兩個研究中心里，眾多的科研人員在車銑原理、車銑運動學及動力學、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)計與測試以及CAD/CAM等多個領(lǐng)域內(nèi)從事研究工作。 目前，對于車銑技術(shù)的研究，遼寧省高速切削工程技術(shù)中心處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。（5） 高速、超高速車銑及其相關(guān)技術(shù)的研究。尤其重要的是對于大型鍛件毛坯，工件的超低轉(zhuǎn)速將消除因工件偏心而引起的振動或徑向切削力的高頻周期變化，這些特點使得此類工件的切削過程十分平穩(wěn)，有利于減少被加工件的形狀誤差。(1)重型或難加工材料回轉(zhuǎn)體毛坯的粗加工，如大型軋輥、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、大型鑄管模、大型船舶用曲軸以及火炮身管等等。 一臺標準的CNC車銑加工中心，至少應(yīng)包括X、Y、Z、B和C五個軸，其中三至五軸可聯(lián)動。（2）由進給速度的矢量表達式可知，加工中的軸向進給速度由銑刀軸向運動速度決定，切向進給速度由工件旋轉(zhuǎn)線速度決定。 Z =3。 =2000r/min。、圓周刃和端面刃切削幾乎同時開始，同時結(jié)束。 =5mm。 =5mm。 軸向進給量對圓周刃、端面刃切削力的影響 、軸向進給量對圓周刃、端面刃切削力最大值的影響。 Z =3。線性分析是指在分析過程中結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和載荷參數(shù)只發(fā)生微小的變化，以至可以把這種變化忽略，而把分析中的所有非線性項去掉。在建模過程中必須指定彈性模量（或某形式的剛度）和密度DENS（或某種形式的質(zhì)量）。 TC4薄壁件的靜力分析流程。正交車銑在切削過程中可以把銑刀刀刃上的切削區(qū)劃分為圓周刃切削區(qū)和端面刃切削區(qū)兩個部分，相應(yīng)地刀齒所受的切削力也可分為兩部分，即圓周刃切削力和端面刃切削力。由應(yīng)力云圖可知，、1mm、2mm、3mm、4mm時，、。進行模態(tài)分析有許多好處：可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或以特定的頻率進行振動（例如揚聲器）；使工程師認識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的；有助于在其他動力估算中求解控制參數(shù)（例如時間步長）。另一個有用的分析功能是循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，該功能允許通過只對循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的一部分進行建模而分析整個結(jié)構(gòu)的振型。但由于集中質(zhì)量矩陣是對角陣，故計算簡單，節(jié)省內(nèi)存和機時，因而使用更為普遍。記 從方程（）至（）可得：[A] （）( i= 2, 3, … r , 且 )將上式寫成矩陣形式，則有:[A][X]=[X][T] （）其中 引入原特征向量和Lorczos向量間的變換式中： （））代如原特征值問題，再用[X][M][K]前乘，用 后乘方程兩端，并利用（）式和正交化關(guān)系式[X][M][X]=[I]，得： （）求解標準特征值問題（）式，得： ， （）計算原問題的部分特征解 ， （）即： （i = 1，2，3，…r）由于振動系統(tǒng)是一個自由的彈性體，因此系統(tǒng)具有剛體位移，故在求解特征值問題時需采用位移法，已知廣義特征值問題： （）將上式改寫為：令 ，將上式變成： （）式（）與（）的振型向量（ i=1, 2，3，… r ）相同，但是式（）的特征值與式（）的特征值相差一個值，即 （ i =1，2，3，…r ） （）由此，即可解得前r階特征值。 擴展模態(tài)。利用modeling中的cylinder創(chuàng)建兩個圓柱體，然后對這倆進行布爾減。劃分后的結(jié)果如圖所示：4. 模態(tài)分析設(shè)置及加載。 由上面六個圖可以知道：。㎜時的固有頻率的特點。5 諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析是確定一個結(jié)構(gòu)在已知頻率的正弦（簡諧）載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的技術(shù)。諧響應(yīng)分析是一種線性分析技術(shù)，任何非線性特性，如塑性和接觸（間隙）單元，即使定義了也將被忽略。,。并在薄壁圓筒的端面處施加零位移約束。．為了進一步研究厚度不同時，諧響應(yīng)分析結(jié)果的規(guī)律。3. 隨著切削的進行，厚度逐漸變小，要及時的調(diào)整切削的頻率，尋找到兩種厚度的共同共振振幅最小點。由此薄壁回轉(zhuǎn)體的模態(tài)分析為切削提供了一些理論依據(jù)。雖然論文表面上是一些模擬、數(shù)據(jù)、圖表和文字的堆積，但它凝聚了全體老師和同學的關(guān)心與幫助，感謝他們近一學期來的熱心支持。王志剛,何寧,2000,12(6):7~11.[6]E. Budak and Y. Altintas. Flexible milling force model for improved surface error predictions. Engng System Design and :ASME (1),89~94.[14]然而，由于其較低的導熱性和較高的化學反應(yīng)活潑性，Ti6Al4V合金通常被作為一種難加工材料，這可表現(xiàn)為低生產(chǎn)率和快速的刀具磨損率，即使是在常規(guī)的切削速度下。C下查出的耐腐蝕性[1]。切削過程中的刀具磨損可定義為由于刀具和工件之間的相互作用使得刀具材料在接觸表面上的體積損失量。探索切削力變化與刀具磨損增長之間的關(guān)系對于開發(fā)一種有效的刀具狀態(tài)監(jiān)控策略[13]是非常重要的。最大的切削厚度發(fā)生在靠近切齒與工件接觸點處。那就是說，銑刀與工件的嚙合時間是立銑回轉(zhuǎn)周期的1/7?？墒牵谶@個研究中，每個實驗只有一個嵌件安裝在刀具上來避免工具提示跳動對刀具磨損分析的影響。每個傳感器包含三對石英板，一個對壓力敏感的在z方向，另外兩個對應(yīng)于剪應(yīng)力的各自在x方向和y方向。Ti6Al4V合金的低熱傳導率引起接近刀刃處的刀屑接觸區(qū)高的切削溫度。(a)銑削三分鐘后 (b)銑削12分鐘后圖B4 前刀面月牙洼磨損掃描電鏡圖像在高速端面銑Ti6Al4V合金過程中，某種程度上，刀屑接觸區(qū)的局部高溫和刀具與工件材料之間的化學成分濃度梯度同時支持刀屑接觸區(qū)兩種類型的擴散，如下，刀具成分擴散進入工件和工件材料成分擴散進入刀具。隨著銑削進展時間的推移，刀具硬度進一步減小并且導致磨損。在某種情況下，這層附著材料被流動切屑的下面撕裂和轉(zhuǎn)移。月牙洼磨損隨著時間的推移變得越來越深，導致形成大的正