【正文】 N。建立一個(gè)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(jì)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(duì)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(jìn)給量的增大對(duì)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(duì)圓周刃、端面刃切削力的影響=10r/min。 =0mm。圓周刃切削力對(duì)整個(gè)刀齒切削力的大小起主導(dǎo)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(dòng)力裝置與被加工件相對(duì)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(zhǎng)軸類工件的加工。在這樣一臺(tái)車銑中心上可實(shí)現(xiàn)車、銑、鉆、鏜等多個(gè)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(duì)較低，加工薄壁件時(shí)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(huì)對(duì)金屬切削技術(shù)，乃至零件的設(shè)計(jì)理念產(chǎn)生極大的推動(dòng)作用，使對(duì)零件的設(shè)計(jì)、加工由傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)向先進(jìn)制造領(lǐng)域。該中心在國(guó)家科學(xué)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(jì)和制造等方向進(jìn)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(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。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)。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。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。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(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。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。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。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。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。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(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膭偠群懿睿庸み^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(dòng)力學(xué)模型出發(fā)，應(yīng)用大型有限元軟件Ansys對(duì)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。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。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。在試驗(yàn)中他們采用的是真空吸附夾緊方式。從中可以看出，國(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。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。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。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。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)。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。該文獻(xiàn)對(duì)后來車銑技術(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。從掌握的資料來看，目前人們對(duì)車銑技術(shù)的研究主要集中在車銑切削過程及車銑工藝和設(shè)備兩個(gè)方面[1~26]。（1） 車銑技術(shù)應(yīng)用前景的研究。 (2)間斷切削使刀具有充足的冷卻時(shí)間，刀具切削溫度相對(duì)較低。 (8)如采用CNC車銑中心，需用車、銑、鉆、鏜等不同方法進(jìn)行加工的工件能在一次裝夾中完成，不需更換機(jī)床，大大縮短了生產(chǎn)周期，防止了重復(fù)裝夾誤差。 車銑技術(shù)的主要內(nèi)容車銑技術(shù)的主要內(nèi)容包括車銑的基礎(chǔ)理論研究、車銑刀具的研究、被加工件的研究、加工過程的研究以及車銑加工中心的研制五個(gè)領(lǐng)域。 正交車銑運(yùn)動(dòng)學(xué) 正交車銑的主要運(yùn)動(dòng) 與軸向車銑不同，正交車銑銑刀的回轉(zhuǎn)軸線與工件的回轉(zhuǎn)軸線相互垂直，它是加工大型回轉(zhuǎn)體和長(zhǎng)軸類零件的一種高效方法。=10r/min。 刀齒一次切削內(nèi)圓周刃切削力的變化 在銑刀切削的任一時(shí)刻，銑刀轉(zhuǎn)角可以被看作常數(shù)，則在銑刀半徑方向一小塊面積上的端面刃切削力為： 由此得端面刃的瞬時(shí)切削力為： 可以看出端面刃的瞬時(shí)切削力為端面刃的單位切削力與切削厚度的乘積在端面刃上一點(diǎn)到銑刀旋轉(zhuǎn)中心距離上的積分，其積分的上下限均為銑刀轉(zhuǎn)角的函數(shù)。 =2mm。 =100mm。 =100mm。 r =20mm。 =10r/min。隨著銑刀半徑的增加圓周刃切削力明顯減小，端面刃切削力明顯增大，因此對(duì)徑向剛度較弱的零件進(jìn)行正交車銑精加工時(shí)，使用較小的銑刀（其它參數(shù)不變，即切削線速度相應(yīng)降低）更有利于提高零件的加工精度。靜力分析可以分為線性靜力分析和非線性靜力分析，靜力分析既可以是線性的也可以是非線性的?？梢允┘映灰萍s束之外的其他載荷，但他們都將被忽略。 。選取直接解法求解，不組裝整個(gè)矩陣，只是在求解器處理每一個(gè)單元時(shí)，同時(shí)進(jìn)行整個(gè)矩陣的組裝和求解，并使用當(dāng)前載荷步（Current LS）開始求解。在此基礎(chǔ)上分析了切削薄壁回轉(zhuǎn)體時(shí)根據(jù)切削力的經(jīng)驗(yàn)公式和相應(yīng)的MATLAB程序得出圓周切削刃力和端面切削刃力，由此施加相應(yīng)的載荷在薄壁回轉(zhuǎn)體上進(jìn)行靜力分析。用模態(tài)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。對(duì)于方程（）的模態(tài)解乘以任一常數(shù)仍是該方程的解，不同頻率的解的線性組合也是該方程的解，所以在求解中采用正則化的振型向量，它們與質(zhì)量矩陣正交，滿足： （）同時(shí)，還滿足與剛度矩陣正交，即 （）剛度矩陣的計(jì)算方法和靜力學(xué)分析一樣，但對(duì)于質(zhì)量矩陣有兩種算法：一致質(zhì)量矩陣法和集中質(zhì)量矩陣法。這種解法直接生成一組Lorczos向量，對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行減縮，然后通過求解減縮了的運(yùn)動(dòng)方程的特征值問題，從而得原系統(tǒng)方程的特征解。在典型的模態(tài)分析中唯一有效的載荷是零位移約束。 觀察結(jié)果和后處理。對(duì)話框如圖所示 。 。4mm的薄壁圓筒波動(dòng)最小。分析了在厚度為2㎜時(shí)的固有頻率的變化規(guī)律，在第14階處變化小，特別是在14階處變化最小。任何持續(xù)的周期載荷將在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生持續(xù)的周期響應(yīng)（諧響應(yīng)）。：定義分析類型及分析選項(xiàng)，在模型上加載，載荷步選項(xiàng)，儲(chǔ)存文件，開始求解計(jì)算，退出求解器。指定一個(gè)完整的簡(jiǎn)諧載荷需輸入3條信息：Amplitude(幅值)、phase angle(相位角)和forcing frequency range(強(qiáng)制頻率范圍)。當(dāng)forcing frequency range指定為0到20時(shí) 當(dāng)forcing frequency range在20到200之間時(shí) X方向振幅頻率曲線 Y方向振幅頻率位移曲線 Z方向頻率位移曲線由圖表可知，TC4薄壁圓筒在74HZ,142HZ,，分別截取3個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的綜合位移云圖： 74HZ對(duì)應(yīng)的綜合位移云圖 142HZ對(duì)應(yīng)的綜合位移云圖 由圖像可知以下結(jié)論，離切削點(diǎn)越遠(yuǎn)變形量越小。以同樣的方法進(jìn)行諧響應(yīng)分析。通過對(duì)車銑時(shí)的諧響應(yīng)分析為提高車銑薄壁回轉(zhuǎn)體的動(dòng)力特性提供了理論依據(jù)。致 謝本文工作是在導(dǎo)師石莉老師悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。（飛機(jī)機(jī)械加工、框架殼體工藝）.航空工業(yè)出版社，1995.[2]趙長(zhǎng)喜,2001,2(1):54~57.[10]Study on maching accuracy of thin wall workpiece by end mill [A].日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集（C編）[C].1997,63(605):239246.[23]Kline W A. 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