【正文】 分析了厚度為 ㎜時(shí)的固有頻率的特點(diǎn)。在 analysis type 中選擇 modal,利用 Block Lanczons 法進(jìn)行分析而在模態(tài)分析中一般不加載結(jié)構(gòu)載荷和熱載荷，只在計(jì)算有預(yù)應(yīng)力的影響時(shí)才會(huì)考慮載荷。只有經(jīng)過(guò)模態(tài)擴(kuò)展才可以在后處理中查看振型。本計(jì)算也采用了集中質(zhì)量矩陣。由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定結(jié)構(gòu)對(duì)于各種動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況，所以在準(zhǔn)備進(jìn)行其他動(dòng)力分析之前首先要進(jìn)行模態(tài)分析。由此得到： SSc,USc,c FFF ?? 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行仿真得到圓周刃切削力和端面刃切削力 圖 沈陽(yáng)理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 20 圖 由此取端面切 削刃力為 圖 由此取圓周切削刃力為 55N 沈陽(yáng)理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 21 。 加載 。R =100mm。 af =5mm。R =100mm。 e =0mm。 （ 1）通過(guò)對(duì)正交車(chē)銑運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析，得到了進(jìn)給速度的矢量表達(dá)式，并由正交車(chē)銑運(yùn)動(dòng)的矢量模型，建立了描述銑刀相對(duì)工件運(yùn)動(dòng)的矢量表達(dá)式。 由此可知，車(chē)銑技術(shù)特別適用于以下各類(lèi)零件的切削加工。 （ 4） 車(chē)銑用銑刀的研究。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(lèi)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。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。 1． 3 研究的內(nèi)容及方法 薄壁零件剛性差，在加工過(guò)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。 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】 。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(wèn)題，基本上對(duì)其 它的零件加工沒(méi)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。現(xiàn)行工藝中在對(duì)其內(nèi)﹑外表面精車(chē)后，銑削方孔時(shí)工件常發(fā)生變形，廢品率極高。沈陽(yáng)理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 1 薄壁圓筒銑削的動(dòng)力學(xué)分析 摘 要 薄壁回轉(zhuǎn)體工件加工一直是機(jī)械加工業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)榇祟?lèi)零件的剛度很差，加工過(guò)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?？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。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(guò)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。 Gu 等人 [10]在研究面銑過(guò)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。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。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。在這兩個(gè)研究中心里，眾多的科研人員在車(chē)銑原理、車(chē)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(chē)銑工藝性、車(chē)銑加工中心的設(shè)計(jì)與測(cè)試以及 CAD/CAM 等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)從事研究工作。 （ 5） 高速、超高速車(chē)銑及其相關(guān)技術(shù)的研究。 (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(jī)轉(zhuǎn)子、大型鑄管模、大型船舶用曲 軸以及火炮身管等等。 （ 2）由進(jìn)給速度的矢量表達(dá)式可知，加工中的軸向進(jìn)給速度由銑刀軸向運(yùn)動(dòng)速度決定，切向進(jìn)給速度由工件旋轉(zhuǎn)線速度決定。 圖 刀齒一次切削內(nèi)圓周刃切削力的變化 沈陽(yáng)理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 15 如圖 給出了刀齒一 次切削內(nèi)的切削力。 r =20mm。 圖 切削深度對(duì)圓周刃、端面刃切削力的影響 Wn =10r/min。 r =20~100mm。在典型的模態(tài)分析中唯一有效的載荷是零位移約束。 加載及約束設(shè)定完成后，即可進(jìn)入 ANSYS 的求解器進(jìn)行計(jì)算。 使用 ANSYS 的模態(tài)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)或者機(jī)器部件的振動(dòng)頻率（固有頻率和振型）。 在有限元分析中，系統(tǒng)的自由度很多，固有頻率和振型向量也比較繁雜，沈陽(yáng)理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 27 在研究時(shí)，往往只對(duì)少數(shù)較低的固有頻率和相應(yīng)的振型向量感興趣，因此在有限元分析中，發(fā)展了一些適應(yīng)上述特點(diǎn)的效率較高的算法。 Fre Range for Expansion 這是一種擴(kuò)展模態(tài)數(shù)的方法。本文分析的薄壁件沒(méi)有預(yù)應(yīng)力的影響，只需考慮它的邊界條件。在工件切削時(shí)應(yīng)該避開(kāi)這些固有頻率，在無(wú)法避免時(shí)，在第 14階處切削工件的變形小，特別是在 14 階的固有頻率處切削變形最小。 在 ANSYS 中建立了薄壁件的幾何模型，并成功建立劃分了網(wǎng)格得到了工件的有限元模型，施加了約 束，分別計(jì)算了厚度是 ㎜、 ㎜、 1 ㎜、 2㎜、3 ㎜、 4 ㎜時(shí)的前 15 階固有頻率。劃分后的結(jié)果如圖所示 ： 圖 圖 沈陽(yáng)理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 31 4. 模態(tài)分析設(shè)置及加載。 擴(kuò)展模態(tài) 。但由于集中質(zhì)量矩陣是對(duì)角陣，故計(jì)算簡(jiǎn)單，節(jié)省內(nèi)存和機(jī)時(shí)，因而使用更為普遍。 進(jìn)行模態(tài)分析有許多好處：可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定的頻率進(jìn)行振動(dòng)（例如揚(yáng)聲器）；使工程師認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類(lèi)型的動(dòng)力載荷是如何響應(yīng)的；有助于在其他動(dòng)力估算中求解控制參數(shù)（例如時(shí)間步長(zhǎng)）。正交車(chē)銑在切削過(guò)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(gè)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。 在建模過(guò)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）。 39。 pa =1~2mm。 39。 af =5mm。由于正交車(chē)銑的加工對(duì)象主要為大型回轉(zhuǎn)體和長(zhǎng)軸類(lèi) 零件，所以銑刀的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一般為軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而很少采用徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng) [7,8]。 (10)多刃切削切削過(guò)程平穩(wěn)，刀具磨損小，這對(duì)新型難加工材料和大型回轉(zhuǎn)體毛坯的加工十分有益。 （ 3） 新材料車(chē)銑加工性的研究。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(zhuān)門(mén)從事車(chē)銑技術(shù)研究的研究中心。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(chē)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。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很多的研究。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(shuō)是不夠的。這些研究雖然解決了一些加工中的具體問(wèn)題，但一般是以過(guò)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(guò)程中。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。本文根據(jù)高速切削和車(chē)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。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。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(guò)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。此外， Masset 等人 【 11】 使用 Kierzle 指數(shù)切削力模型研究了車(chē)削與面銑加工變形誤差的有限元計(jì)算策略問(wèn)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。對(duì)航空材料來(lái)說(shuō)，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。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(lèi)零件）或徑向進(jìn)給（如加工盤(pán)類(lèi)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)。尤其值得關(guān)注的是 Darmstadt 工業(yè)大學(xué)機(jī)床及生產(chǎn)工程研究所的 教授將長(zhǎng)期從事高速銑削技術(shù)的研究成果成功地與車(chē)銑技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)創(chuàng)了高速、超高速車(chē)銑新領(lǐng)域。 目前，車(chē)銑技術(shù)正在逐步轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，使用車(chē)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。 (2)大型薄壁件回轉(zhuǎn)體的精加工。 （ 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(chē)銑更適于復(fù)雜結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)體的加工和長(zhǎng)軸類(lèi)工件的加工。通過(guò)圖 、圖 和圖 不難得到，圓周刃和端面刃切削幾乎同時(shí)開(kāi)始，同時(shí)結(jié)束。 Z =3。 Fn =20xxr/min。 Z =3。如果在某個(gè) DOF 處指定了一個(gè)非零位移約束，程序?qū)⒁粤阄灰萍s束代替該 DOF 處的設(shè)置。設(shè)定分析的類(lèi)型為靜態(tài)線性過(guò)程（ LINEAR STATIC）。模態(tài)分析也可以是另一個(gè)動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)，例如，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，諧響應(yīng)分析或者譜分析等。 Lorczos 法就是 近年來(lái)較為流行的一種解法。如果指定了一個(gè)頻率范圍，那么只有在該頻率范圍內(nèi)的模態(tài)才會(huì)被擴(kuò)展。薄壁件一端面固定不動(dòng)，故在其一端面施加全約束。 分析了厚度為 ㎜時(shí)的固有頻率的變化特性，得到了在第 15 階處變形小，特別是在第 7階固有頻率處變形最小。 本章小結(jié) 本章進(jìn)行的工作和結(jié)論有一下幾點(diǎn)： 本章介紹了模態(tài)分析的基本概念和模態(tài)分析的有限元基礎(chǔ)。采用總體控制單元大小，自由劃分的方式。在未加約束的方向上，程序?qū)⒔馑銊傮w運(yùn)動(dòng)（零頻）以及高頻的自由體模態(tài)。 在實(shí)際分析中，一致質(zhì)量矩陣和集中質(zhì)量矩陣都有應(yīng)用，一般情況下，兩者給出的結(jié)果也差不多。 沈陽(yáng)理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 25 4 薄壁回轉(zhuǎn)體模態(tài)分析 模態(tài)分析的基本概念 模態(tài)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的一種技術(shù)，通過(guò)它可以得到自然頻率，振型和振型與參數(shù)（即在特定方向上某個(gè)振型在多大程度上參與了振動(dòng)）。 由于在薄壁回轉(zhuǎn)體一端進(jìn)行裝夾，所以在薄壁回轉(zhuǎn)體一端施加固定位移約束，在此為了簡(jiǎn)化約束，只在薄壁回轉(zhuǎn)體的端面施加零位移約束。 建模 。 Fn =20xxr/min。 Z =3。 Fn =20xxr/min。 pa =2mm。 如圖 所示，一個(gè)典型的正交車(chē)銑加工過(guò)程包括工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和銑刀的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 (9)車(chē)銑是多刃切削，結(jié)合高速切削可較大地提高生產(chǎn)效率。 （ 2） 特種工件車(chē)銑工藝的研究。 1983 年德國(guó)的 在他的博士論文《車(chē)銑技術(shù)》 [2]中系統(tǒng)地研究了車(chē)銑技術(shù)的另一種基本加工方法 — 正交車(chē)銑， 對(duì)正交車(chē)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(kāi)拓性的研究工作。銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主切削運(yùn)動(dòng)。但有關(guān)問(wèn)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)?。例如，利用磁流變液相變迅速、屈服?qiáng)度大等特點(diǎn)， Targ研 究了磁流變液柔性?shī)A具的可能性。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)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(guò)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。在該類(lèi)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。 并詳細(xì)分析了在不同厚度時(shí)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㎜一直切到 ㎜。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。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。該方法已被應(yīng)用于法國(guó)雷諾汽車(chē)公司的 proactive 新款汽車(chē)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。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。車(chē)銑不是單純的