【正文】 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)來完成各類表面的加工。這些研究成果支持德國機(jī)床工業(yè)制造出了商品化的 CNC 車銑中心。 車銑技術(shù)的主要特點(diǎn) 車銑加工與其它傳統(tǒng)切削方法一樣，并不是所有零件的切削加工都適用于車銑技 術(shù)，它只是在一些特定條件下能夠充分發(fā)揮它的加工特點(diǎn)。 (3)大型回轉(zhuǎn)體工件的高速、超高速切削。 （ 4）正交車銑理論運(yùn)動(dòng)方程的建立為車銑機(jī)床和 CNC 車銑中心的設(shè)計(jì)提供了 理論依據(jù)，是車銑工藝必不可少的理論指導(dǎo)。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。 pa =3mm。 39。 pa =2mm?？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。 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。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。 觀察結(jié)果和后處理 。 。 分析了在厚度為 1㎜時(shí)的固有頻率變化的特性，在第 12 階處變化最小，特別時(shí)在 7處變化最小。但從 的薄壁圓筒到 薄壁圓筒固有頻率會(huì)有一個(gè)小幅的下降然后逐漸上升。該工具高度集成 CAD 模型網(wǎng)格劃分功能，操作簡(jiǎn)單方便，適合大多數(shù)劃分網(wǎng)格的場(chǎng)合?？梢允┘映灰萍s束之外的其他載荷，但他們都將被忽略 。 集中質(zhì)量矩陣 它是將單元的分布質(zhì)量集中分配到單元的各個(gè)結(jié)點(diǎn)上，這樣得到質(zhì)量矩陣是對(duì)角矩陣，對(duì)于板殼單元，集中質(zhì)量矩陣還略去轉(zhuǎn)動(dòng)項(xiàng)。根據(jù)應(yīng)力云圖得知薄壁回轉(zhuǎn)體所承受的最大應(yīng)力，然后根據(jù)材料所 能承受的最大應(yīng)力可以理論上判斷切削是否合理，由此薄壁回轉(zhuǎn)體的靜力 分析為切削提供了一些理論依據(jù)。 薄壁回轉(zhuǎn)體的加載。 從結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)上講，無論是線性的還是非線性的靜力分析都可以分為平面問題、軸對(duì)稱問題和周期對(duì)稱問題及任意三維結(jié)構(gòu)。 Wn =10r/min。 r =20mm。 圖 刀齒一次切削內(nèi)端面刃切削力的變化 Wn =10r/min。 Z =3。 正交車銑運(yùn)動(dòng)學(xué) 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。 (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。 （ 1） 車銑技術(shù)應(yīng)用前景的研究。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。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)。在歐美發(fā)達(dá)國家也是如此，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。從中可以看出，國外在工件的裝夾、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。 國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 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(shí)踐。如 4JB1 型柴油機(jī)的干式汽缸套，其外徑為 95mm，壁厚僅為 1mm，內(nèi)外壁表面粗糙度 m，重要尺寸公差和型位公差均為 5 級(jí)。 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(zhǎng)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。沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 6 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。 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。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。 車銑基礎(chǔ)理論是對(duì)車銑技術(shù)進(jìn)行全面研究的基礎(chǔ)，由于可以理解的原因，國外有關(guān)車銑基礎(chǔ)理論研究的文獻(xiàn)很少見到，特別是用數(shù)學(xué)方法對(duì)車銑運(yùn)動(dòng)和工件的表面特征進(jìn)行分析的文獻(xiàn)更難得到。作為一種先進(jìn)的金屬切削方法，其主要優(yōu)點(diǎn)為： (1)車銑是間斷切削，因此無論加工何種材料的工件都能得到較短的切屑，易于自動(dòng)除屑。 (4)需用車、銑、鉆、鏜等不同方法進(jìn)行加工的工件。 圓周刃、端面刃切削力 由切削力經(jīng)驗(yàn)公式得圓周刃的瞬 時(shí)切削力為： ? ? ? ? ? ? FcUSUSp,FcUSc, yhaCF ??? ??? 如圖 給出了刀齒一次切削內(nèi)圓周刃的切削力。 Wn =10r/min。 af =5mm。R =100mm。 af =5mm。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)。有限元計(jì)算完畢以后，使用ANSYS 的后處理功能，利用計(jì)算出的箱體各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)位移，來確定各個(gè)單元的應(yīng)力大小，以及整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形情況。固有頻率和振型是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。其算法如下： 給定 ??1x 1觀察結(jié)果包括固有頻率，已擴(kuò)展的振型和相對(duì)應(yīng)力分布（如果要求輸出）。在 Fre Range for Expansion 中輸入 0到 所示 。 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。 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 42 厚度與不同階固有頻率關(guān)系分析 利用 Block Lanczons 法解出不同厚度條件下前 15階的固有頻率，如表： 表 1 不同厚度條件下前 15 階的固有頻率 厚度 階次 1mm 2mm 3mm 4mm 1 2 3 4 73． 813 5 6 7 127． 76 8 9 10 11 12 13 14 15 由表可知隨著厚度的增加，薄壁圓筒的固有頻率不斷增加，而對(duì)于同一厚度而言，隨著階次的增加，薄壁圓筒的固有頻率也在不斷增加 為方便直觀的比較，研究厚度對(duì)于薄壁圓筒的固有頻率和最大變形量的 影響 作出一階條件下的關(guān)系圖： 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 43 圖 圖 作出十階條件下的關(guān)系圖： 圖 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 44 圖 由上面四個(gè)圖表可知：當(dāng)階次相同時(shí)，隨著厚度的增加薄壁圓筒的最大變形量逐漸減小，而固有頻率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。 網(wǎng)格的劃分采用網(wǎng)格劃分工具 MeshTool，此工具專門用于對(duì) CAD模型執(zhí)行網(wǎng)格劃分操作，并包含所有點(diǎn)線面的網(wǎng) 格劃分所具有的同等功能。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。 一致質(zhì)量矩陣 ? ? ? ? ? ? ?? dNNM Te ??? （ ） 式中 ? 為質(zhì)量密度； ??N 是形函數(shù)矩陣。經(jīng)過后處理得到相應(yīng)的合位移云圖和應(yīng)力云圖，從合位移云圖得知薄壁回轉(zhuǎn)體各部分變形情況知道靠近切削點(diǎn)處的變形越來越大，遠(yuǎn)離切削點(diǎn)的變形越來越小。 通過查表知 TC4 鈦合金的彈性模量為 ,密度為 ,在 ansys 中為了單位統(tǒng)一 EX 項(xiàng)中輸 入 ,DENS 項(xiàng)中輸入 ，泊松比取為 。非線性靜力分析包括所有的非線性類型：大變形、塑 性、蠕變、應(yīng)力剛化、接觸（間隙）單元、超彈單元等。反之，對(duì)軸向剛 度較弱的零件進(jìn)行正交車銑精加工時(shí)，使用較大的銑刀（其它參數(shù)不變，即切削線速度相應(yīng)增加）更有利于提高零件的加工精度。R =100mm。 e =0mm。 r =20mm。由于目 前的控制系統(tǒng)主要針對(duì)車、沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 13 銑、鉆等傳統(tǒng)工藝而開發(fā)，如應(yīng)用到 CNC 車銑中心上一般需要二次開發(fā)，且車銑運(yùn)動(dòng)是復(fù)合運(yùn)動(dòng)，因此如不很好地掌握車銑基礎(chǔ)理論，很難編制出好的車銑加工程序。 (7)使用較大的縱向進(jìn)給也能得到較小的表面粗糙度。近期應(yīng)重視以下研究方向。1955 年德國的 總結(jié)了大量的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，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。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)。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。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，來預(yù)測(cè)因裝夾而引起的工件變形，并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。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。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，汽缸套變的越來越薄。 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(shí)就要選擇好刀具的切削頻率。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。在試驗(yàn)中他們采用的是真空吸附夾緊方 式。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)與刀具沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 7 幾何參數(shù)的優(yōu)化選取方法。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。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，圖 所示。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]。 (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。 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。 圖 正交車銑的主要運(yùn)動(dòng) 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 14 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： ? ? ? ? ????? d,d FcSSFcSSc, yhCF ?? 由此得端面刃的瞬時(shí)切削力為： ? ? ? ?? ? ? ?? ?? ??? ??? ???????????? aiFc d,d SSFcSSc,SSc, yhCFF 可以看出端面刃的瞬時(shí)切削力為端面刃的單位切削力 FcC 與切削厚度? ?Fc,SS yh ?? 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)。 Fn =20xxr/min。 e =0mm。 r =20mm。 圖 銑刀半徑對(duì)圓周刃、端面刃切削力的影響 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 18 3 薄壁回轉(zhuǎn)體靜力分析 靜力分析的基本概念 靜力分析計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的載荷的情況。 觀察結(jié)果和后處理 。 后處理 截取不 同厚度條件下在同一切削力條件下的最大合位移量和應(yīng)變的結(jié)果圖形進(jìn)行分析： 圖 厚度為 1mm 時(shí)最大合位移量和應(yīng)力云圖 圖 厚度為 的合位移量和應(yīng)力云圖 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 22 圖 厚度為 的合位移和應(yīng)力云圖 圖 厚度為 2mm 的合位移和應(yīng)力云圖 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 23 由合位移云圖可知，當(dāng)薄壁回轉(zhuǎn)體的厚度分別為 、 、 1mm、 2mm、3mm、 4mm 時(shí)，回轉(zhuǎn)體發(fā)生的最大位