【正文】 第 2 章 構(gòu)件工藝分析及其選擇刀具的研究 7 概述 刀具的選擇在高速加工中有些舉足輕重的地位，也是至關(guān)重要的一步。存在的問題，如何簡化加工模型、如何建立有限元模型、 ansys 軟件中如何建模等一系列的操作。 研究方法 （ 1）理論分析 依據(jù)是金屬加工原理，分析薄壁構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其加工難點(diǎn)，找出構(gòu)件變形原因，優(yōu)化刀具路徑和設(shè)計(jì)夾具等。 6 （ 3）專用夾具設(shè)計(jì)和工件安裝方案的制定 鋁合金構(gòu)件自身所具有的剛性差，受力諸如切削力、夾緊力和殘余應(yīng)力等的作用容易變形，因此，若想保證構(gòu)件的質(zhì)量，關(guān)鍵是要控制好其變形，而控制的主要措施是裝夾方 案的制定。 假設(shè)使用了不合理的走刀路徑，高速銑削會對刀具和機(jī)床造成重大的破壞性，刀具的壽命和機(jī)床的局部或者整體都會有很大的影響。 刀具的決定因素如下：刀具的形狀要順從構(gòu)件特征； 其形狀由最小圓角確定 刀具的尺寸參數(shù)；刀具的品牌或者說刀具的類型，要依據(jù)當(dāng)時(shí)市場情況和使用壽命而定；最后組合與整個(gè)機(jī)床工作，這其中要在完成幾何特征加工的基礎(chǔ)上，讓其切削力和構(gòu)件變形最小化。 研究內(nèi)容 （ 1） 銑刀在高速狀態(tài)下的選用及其參數(shù)的設(shè)置 在高速加工過程中，刀具各個(gè)部分的離心力同切削力作比，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，這就從側(cè)面說明處在這樣的狀態(tài)下加工構(gòu)件，需要刀具具備一定的要求，具體對刀具做出的規(guī)定要求要根據(jù)加工材料的不同而定，其規(guī)定做出要求的刀具方面是，構(gòu)成材料、制定的形狀、 尺寸的大小和加工過程的情況。文獻(xiàn) [42]是采用 Johnson2Cook（ JC）模型對工件材料做模擬，采用的失效準(zhǔn)則是 JC 破裂模型，利用建立起來的有限元模型，分析了四種不同切削條件下的材料加工時(shí)切屑的形成過程，獲取了是相應(yīng)情況下的切削力，并且進(jìn)行對此分析，得到了相同加工條件下不同的不連續(xù)狀的切屑的形成，從切屑形成機(jī)理上，其不連續(xù)狀切屑的與在自由表面破裂的鋸齒狀切屑的是不 相同的。在兩種模型中，對切削力、切削厚度、刀削接觸長度和吃刀抗力做模擬獲 取預(yù)測數(shù)值，然后與相關(guān)文獻(xiàn)的檢測結(jié)果做比較分析，結(jié)論是粘結(jié)滑移模型優(yōu)于庫倫模型，更加與實(shí)際情況相吻合。并且通過是結(jié)果得出結(jié)論是：在 2D 平面應(yīng)變結(jié)構(gòu)中，在熱禍合的情況下，其在刀具前方的變形區(qū)內(nèi)和刀具經(jīng)過的表面內(nèi)的主要應(yīng)力是殘余應(yīng)力，其數(shù)值是非常大。文獻(xiàn) [35]中是依據(jù)彈塑性理論為基礎(chǔ)，建立起材料的應(yīng)變硬化模型，然后借助有限元仿真技術(shù)，使用 ansys軟件可以生成二維正交金屬切削過程中剪切層及其切屑而進(jìn)行模擬仿真，且從其分析的結(jié)果中獲取了應(yīng)力應(yīng)變云圖和網(wǎng)格的變形圖，進(jìn)而找出切屑的形成過程和分析了剪切層的出現(xiàn)、刀具和工件的應(yīng)力以及切屑層的應(yīng)變變化情況。 針對這方面的研究，其方法雷同，都是借助有限元軟件對其進(jìn)行分析 ，并且模擬出高速切削加工過程中出現(xiàn)的工件變形、切削、應(yīng)力分布、溫度場等。通過模擬并且分析螺旋立銑削刀與零件加工時(shí)之間的作用力的關(guān)系，獲取銑削刀的力的變化曲線和因力所產(chǎn)生 銑削熱的分布狀況，進(jìn)而依據(jù)曲線分析得到在刀具與工件之間的物理作用對壁板隨刀具的旋轉(zhuǎn) 5 進(jìn)給運(yùn)動而產(chǎn)生讓刀變形，最終得到薄壁板在高速加工過程中產(chǎn)生的最大讓刀誤差。 文獻(xiàn) [34]是研究薄壁構(gòu)件變形特點(diǎn)，將處在不同的切削區(qū)的切削模型做實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn) [35]是通過理論分析了航空薄壁構(gòu)件在加工時(shí)的變形機(jī)理，同時(shí)建立了銑削力學(xué)模型。 起步晚的中國當(dāng)前正處在探索階段，其科研成果也是顯著的。 1993 年 Moriwaki等人使用有限元方法對無氧銅的微切削過程做了模擬，主要研究內(nèi)容是刀具與工件之間溫度的分布情況。另外一批人諸如Strenkowski和 Carroll等人則是將其定義為彈塑體，并且定義切屑和刀具的接觸面為絕熱面，通過分離原則為等效塑型應(yīng)變切屑，分析刀具、構(gòu)件、切屑之間的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的變化。 Lajczok 于 1980年建立正交切削模型，并且從實(shí)驗(yàn)中得到，在忽略切屑的前提下獲得了切削力。 1940 年，關(guān)于金屬切削機(jī)理的研究， Mechant， Pilspanen 等人對其建造了金屬切削剪切角模型，同時(shí)給出了剪切角和前角關(guān)系。完畢后，斷磁，去除磁流液體，完成構(gòu)件的加工。在另外一部分學(xué)者中提出使用柔性夾具，就是在加工構(gòu)件時(shí)將型腔內(nèi)注入液體，進(jìn)而提高構(gòu)件剛度?；厩疤崾羌庸すぜ砻嫠璧臍堄鄳?yīng)力存在，從控制構(gòu)件加工變形的角度出發(fā)，對裝夾方案做優(yōu)化。文獻(xiàn)[22]則是針對航空薄壁構(gòu)件加工而提出使用拉伸裝夾方法，并且結(jié)合有限元軟件對其過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力做數(shù)據(jù)模擬。文獻(xiàn) [21]中提到的射流法，其主要是用來加工大型薄壁構(gòu)件時(shí)控制變形的，工作機(jī)理是，在切削敏感方向使用高壓液體，對準(zhǔn)正在加工的工件部分噴射，這樣以來，可以起到浮動支撐作用， 進(jìn)而可以有效的減少切削力產(chǎn)生的加工變形。 4 在國內(nèi)針對薄壁構(gòu)件裝夾方案的研究有很多，主要的研究的內(nèi)容是對其做進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)， 如為避免部分變形過大，并且讓其趨于變形均勻化，改變支撐力的數(shù)目，讓處在集中作用力的支撐分散受力；改變力的作用位置，合理分配夾緊力和支撐力的作用面，具體說，在剛性良好的表面盡量受夾緊力作用，在剛性差的表面讓其受支撐力作用；改變力的大小，在力的數(shù)目和位置確定以后，盡量選取小的夾緊力。對此，大部分學(xué)者把鋁合金構(gòu)件加工過程中變形問題視為瓶頸問題。針對鋁合金薄壁構(gòu)件高速加工時(shí)所需的夾具，設(shè)計(jì)時(shí)除了 要有基本的功能外，還有考慮到鋁合金本身剛性差的缺點(diǎn)。同類的采用路徑最短化優(yōu)化和 X 方向優(yōu)化路徑等，針對不同類型的混合加工的則是從工序上和路徑雙方向來考慮。文獻(xiàn) [14]給出可以解決切削槽加工中刀具路徑有話的問題的奇數(shù)偶數(shù)點(diǎn)圖作業(yè)法和最小權(quán)對集法。在文獻(xiàn) [12]中，是運(yùn)用一種遺傳算法對刀具路徑排布的有話，文獻(xiàn) [13]是空群規(guī)律性排布下的正交優(yōu)化方法 。在文獻(xiàn) [9]中利用平面多輪廓加工路徑優(yōu)化模型，實(shí)時(shí)的對目標(biāo)函數(shù)做了優(yōu)化，并給出結(jié)束條件。對TSP(traveling salesman problem)做擴(kuò)展，就可以形成一種節(jié)點(diǎn)可變的廣義 的旅行商問題（ generalized traveling salesman problem，簡稱 GTSP）。 路徑優(yōu)化問題是一個(gè)數(shù)學(xué)問題，其 優(yōu)化 的目的是讓道具在所有的路徑中選擇長度最 短 的走，在刀具加工的區(qū)域是點(diǎn)集，這樣問題就可以利用數(shù)學(xué)上的旅游商問題來解決這個(gè)刀具路徑有話問題。 (4)順銑是高速切削的首選，其所具有的特點(diǎn)有，加工過程穩(wěn)定，對刀具損害小，加工出來的工件的見面質(zhì)量最好！ 機(jī)械化時(shí)代的到來，對生產(chǎn)效率有了一定程度上的要求，這是供求關(guān)系導(dǎo)致的，針對提高一個(gè)零件加工速度，主要從兩個(gè)時(shí)間來提高，即實(shí)際切削時(shí)間和刀具空行程時(shí)間，若想減少一個(gè)零件的加工時(shí)間，提高生產(chǎn)率，需要同時(shí)將兩種時(shí)間縮小，其可實(shí)行的策略其合理安排刀具加工路徑，也就是說要 盡量的優(yōu)化路徑，盡量減少空行程時(shí)間。目的是避免突變出現(xiàn)。 針對實(shí)際的高速加工零件，在路徑路徑編制過程中要參考文獻(xiàn) [7]中給出的原則設(shè)計(jì)刀具路徑，主要內(nèi)容有 : （ 1）進(jìn)刀方式采用螺旋式或者圓弧式，并且是緩慢切入，其目的其盡量避免突變力的產(chǎn)生和延長刀具的使用壽命。高速切削加工帶來的速度問題，如果加工路徑 不合理選擇，直接會導(dǎo)致走刀重復(fù)，增加 刀具行程時(shí)間，降低生產(chǎn)效率，成本也不會有所節(jié)約。 鋁合金構(gòu)件在高速加工時(shí)的走刀路徑 實(shí)現(xiàn)高速切削加工技術(shù)，需要的條件是要強(qiáng)化機(jī)床、刀具 、夾具等設(shè)備的承載能力，同是對于走刀路徑也需要做一定程度上的改進(jìn)。在高速切削加工工件的過程中，要依據(jù)工件的情況做恰當(dāng)?shù)倪x取，其選取的原則是：背吃刀量要取小，進(jìn)給速度要取大，切削時(shí)荷載盡量維持不變，銑削時(shí)取順，精加工時(shí) 要保持連續(xù)性加工。 （ 7）切削用量的選取 針對這個(gè)方面的影響，背吃刀量是影響變形的首要因素，并且成正比例關(guān)系，而其切削速度是反比例關(guān)系！因此，有效控制變形并且提高生產(chǎn)效率，需要減少背吃刀量，提高切削速度和恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量。 （ 5）做好成型前的熱處理工作 這項(xiàng)工作主要是針對殘余應(yīng)力的，在工件成型前的熱處理，可以消除加工時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，對工件做調(diào)質(zhì)處理，可以除掉殘余應(yīng)力，同時(shí)對工件的硬度的提高有促進(jìn)作用，總之，可以提升工件質(zhì)量。 （ 3）補(bǔ)償應(yīng)變 銑削加工工件時(shí)采取的同方向加工，會對工件兩側(cè)的對應(yīng)面產(chǎn)生拉伸運(yùn)用，這種拉伸會對單向延伸有一定的阻撓運(yùn)用，也就是說可以對工件變形有一定的限制作用。當(dāng)進(jìn)行加工時(shí)選擇沿著順紋向進(jìn)行銑削加工，過程中存在刀具表面擠壓和與之工件的摩擦的影響，工件的表面伸長會加大，因此會加大變形，是導(dǎo)向不利于加工要求的。 對剛度不足的鋁合金構(gòu)件進(jìn)行加工時(shí)，若想將構(gòu)件變形控制在不存在，這是不可能的事情，但是將其最大限度的降低變形程度是可以實(shí)現(xiàn)的，依據(jù)文獻(xiàn) [2]的科研成果，對高速加工中的鋁合金構(gòu)件，采取如下的方法可以將其變形控制在要求的范圍之內(nèi)： （ 1）使用鋒利的切削刀具 為減小切削加工過程中的擠壓量，需將刀具的尖部做小弧度；對切削時(shí)熱量的控制，需將刀具的前角加大；對于刀具的后角也要適當(dāng)加大，如此可以減少刀面與工件的摩擦。借助實(shí) 2 際經(jīng)驗(yàn)我們可惜大致得到影響其變形的原因有加工時(shí)受力變形、切削時(shí)熱集聚變形、機(jī)床運(yùn)作時(shí)振動、殘余應(yīng)力變形、裝夾引起的 變形等。 我國當(dāng)前在這方面的研究是少之又少，為此，對鋁合金復(fù)雜構(gòu)件的研究需要向西方國家借鑒，這樣有助于我國在此領(lǐng)域的快速 發(fā)展，現(xiàn)在我國在此方面的研究的不足是，沒有理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)前科學(xué)技術(shù) 的不斷發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的發(fā)展也帶到了一個(gè)全新的形態(tài)，這也就將軟件開發(fā)也發(fā)展起來，并且趨于不斷成熟狀，對此，大量的有限元軟件也出現(xiàn)并且不斷的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。 在對鋁合金構(gòu)件的加工工藝進(jìn)行研究，西方國家主要是借助有限元對其分析，通過軟件對構(gòu)件進(jìn)行模擬操作，然后獲取復(fù)雜構(gòu)件的變形規(guī)律，對這些規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)得出一些結(jié)論，然后對癥下藥提出一些措施，減少加工過程中構(gòu)件的變形。 當(dāng)前的機(jī)械生產(chǎn)中，比較先進(jìn)的一種制造技術(shù)是高速切削技術(shù)，這中切削相比傳統(tǒng)意義上切削在速度上有著 10 倍左右的差距，高速切削具有的特點(diǎn)主要有切削力不大、切削產(chǎn)熱少、切削速度快、切削效率高、加工精度高等，因此，對于加工鋁合金構(gòu)件首要選擇就是高速切削技術(shù)。國外對其加工工藝的研究成果顯著，舉例有波音飛機(jī)，其尾翼的腹板厚度可以比較準(zhǔn)確的控制的 ，隔板的厚度則可以控制在 ，其在高速銑削加工方面能夠?qū)⒈诤窨刂圃?。對于用鋁合金制造出來的零部件，存在一些諸如剛性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)在加工過程中因收到諸如裝夾力、殘余應(yīng)力等多種因素的作用而產(chǎn)生變形，這就在一定程度上不能 滿足圖紙要求，如加工精度和加工質(zhì)量，從而近一步對零部件的使用性能造成影響。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，樣件加工質(zhì)量較好，說明了理論分析及仿真結(jié)果基本正確，夾具設(shè)計(jì)方案基本可行，所做工作及成果為今后的實(shí)驗(yàn)及研 究工作奠定了基礎(chǔ)，對實(shí)際加工也具有參考價(jià)值。優(yōu)化加工工藝，擇優(yōu)使用最佳方法。深入的分析對鋁合金構(gòu)件中比較典型的薄壁構(gòu)件的加工特點(diǎn)和變形控制方法，主要是依托有限元軟件對構(gòu)件加工造成的變形做模擬和分析！然后借助試驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證。 優(yōu)化 了 刀具在高速加工時(shí)的運(yùn)行軌跡。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 I 摘要 隨著工業(yè)的發(fā)展，鋁合金在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用開始廣泛起來，但由于鋁合金構(gòu)件結(jié)構(gòu)本身的剛性差，其在加工過程中極易產(chǎn)生變形，加工的質(zhì)量在要求上很難達(dá)到指定要求，因此，對于鋁合金構(gòu)件的加工一直以來是一個(gè)難點(diǎn)。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 吉林大學(xué)博士 (或碩士 )學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。 I 研研究生學(xué)位論文題目 作 者姓名 吉林大學(xué) 分 類 號： 單位代碼： 10183 研究生學(xué)號： 200XXXXXXX 密 級： （以上為宋體加粗小四號字） 吉 林 大 學(xué) 碩士學(xué)位論文 （專業(yè)學(xué)位） 中文論文題目 （要求黑體三號字） 英文論文題目 （要求 Arial 體 小三號字） （以下為宋體加粗三號字） 作 者 姓 名： 類 別： 領(lǐng)域（方向）： 指 導(dǎo) 教 師： 培 養(yǎng) 單 位： 年 月 I 碩士學(xué)位論文 ————————————————————— 鋁合金數(shù)控加工與夾具設(shè)計(jì) ————————————————————— Aluminum Alloy CNC Processing and Fixture Design （ Arial 三號字） （以下均為宋體四號字） 作 者 姓 名： 領(lǐng)域（