【正文】 .... 26 裝夾要求 ...................................... 26 設(shè)計流程 ...................................... 27 鋁合金薄壁構(gòu)件的定位與夾緊方案 ................. 27 減小變形的方法 ................................ 29 銑削力的理論計算 ................................... 29 力的數(shù)學(xué)模型 .................................. 29 經(jīng)驗公式 ...................................... 30 薄壁構(gòu)件變形分析 ................................... 31 有限元概括 .................................... 31 軟件概述 ................................. 32 鋁合金薄壁構(gòu)件模型建立 ........................ 35 載荷的施加 .................................... 36 構(gòu)件受力變形 .................................. 38 IV 機(jī)床夾具 .......................................... 39 小結(jié) .............................................. 41 第 5 章 加工試驗驗證 ..................................... 43 .................................... 43 實驗條件 .......................................... 43 實驗設(shè)備 機(jī)床 ................................. 43 實驗刀具 ...................................... 44 測力系統(tǒng) ...................................... 45 實驗結(jié)果及分析 ..................................... 46 實驗結(jié)果 ...................................... 46 實驗結(jié)果分析 .................................. 48 小結(jié) .............................................. 48 第 6 章 總結(jié)與展望 ....................................... 49 論文總結(jié) .......................................... 49 展望 .............................................. 49 參考文獻(xiàn) ............................................... 50 致謝 ................................................... 53 1 第 1 章 緒論 研究的背景和意義 科技在不斷發(fā)展的今天，有關(guān)機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展也緊跟其后，其生產(chǎn)符合市場 需求的構(gòu)件也在不斷的更新，這種更新主要是諸如航天、汽車等領(lǐng)域?qū)?gòu)件的要求有所不同所致，這也是順應(yīng)時代的發(fā)展的，現(xiàn)在這些領(lǐng)域?qū)?gòu)件的主要要求是，強(qiáng)度上要高、導(dǎo)熱方面要好，然后由內(nèi)到外，在外觀上要講究美觀，當(dāng)前符合這種要求的材料主要是鋁合金，絕大部分的構(gòu)件主要是薄壁構(gòu)件，其特點(diǎn)可以很好的滿足此領(lǐng)域中所要求的，這也正是諸如飛機(jī)、雷達(dá)、通訊衛(wèi)星等上面所要求的特殊構(gòu)件。 針對鋁合金構(gòu)件的加工特別是復(fù)雜薄壁構(gòu)件的加工，西方發(fā)達(dá)國家非常重視其加工工藝的水平，因為能否擁有良好的加工工藝，會一下到本國諸如軍工、通訊、航空等行業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而會影響到本國的經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)业陌踩珟硪欢ǖ耐{。針對這些內(nèi)容，反觀我國在這方面的研 究，差距是巨大的，但隨著我國科技水平的不斷提高，在這方面的研究成果將會慢慢和西方國家的距離拉近，當(dāng)前針對我國這方面的發(fā)展，借助西方的先進(jìn)技術(shù)，可以講我國相對落后的形勢帶動起來，并逐步的將我國的引向制造的超級大國，這對我國的發(fā)展有其重要的意義。針對高速加工復(fù)雜的鋁 合金構(gòu)件的研究，國內(nèi)外的成果都不多，當(dāng)前開展的研究課題主要是在切削參數(shù)、切削力、加工產(chǎn)熱等方面，對此，需借助當(dāng)前僅有的成果，并且以此為基礎(chǔ)做深一步的研究具有重要的意義。有限元的全稱是有限單元分析法，英文是 finite element method，簡稱 FEM，是一種力學(xué)模型數(shù)據(jù)分析法。作為研發(fā)新的加工技術(shù)的部門，采用有限元軟件對研發(fā)技術(shù)的輔助作用是巨大的，其方法可以替代做大量的切削實驗，這就在研發(fā)成本上有了大幅度的節(jié)省，同時在時間上，借助計算機(jī)的高效快速的計算，時間也大大節(jié)約了，所得到的成果，質(zhì)量有保證，同時也提升了生產(chǎn)效率。對此本文將依托某科研項目，將研究對象定位在典型鋁合金密槽薄壁構(gòu)件，借助計算機(jī)軟件做數(shù)學(xué)模型，然后對其做理論分析，再用有限元軟件做模擬和實驗相結(jié)合的方法來對構(gòu)件加工變形控制技術(shù)做研究和探究！ 加工方法 鋁合金薄壁構(gòu)件本身存在剛性差的特點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致在加工的時候容易出現(xiàn)變形。對此，若想快速有效的提升加工技術(shù)，需從以上幾個方面入手進(jìn)行研究，從而找到控制加工變形的方法。 （ 2）注意材料的選擇 在加工過程中按照其受力經(jīng)驗，通常情況下，材料的順紋方向的伸展率要好過垂直方向的延伸率。結(jié)論是在制定工藝路線時要盡量避開順紋向加工，如此操作可以有效控制加工變形。 （ 4） 冷卻 潤滑液的恰當(dāng)使用 主要是對刀具的保養(yǎng)層面考慮，刀具的有效保護(hù)，可以減少加工時產(chǎn)生的熱變形，間接的對變形有一定的作用。 （ 6）夾具的恰當(dāng)選擇 針對鋁合金所存在的剛性差的特點(diǎn)，然后再考慮生產(chǎn)要求，諸如結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性和特殊性，在選擇使用各種夾具是非常重要的，夾具中的夾緊力和支撐力都是造成變形的原因，因此，多方 面的考慮，再選擇使用各種夾具是有效控制變形的一個方面。 （ 8）走刀路徑 選擇適合的走刀路徑，對刀具的使用壽命、切削效率和工件的加工質(zhì)量都有其重要的影響。如此按照這樣的原則才能做出工件變形最小。倘若忽視上面提出的改進(jìn)條件，其后果是要嚴(yán)重的，在切削過程中，設(shè)備如果打不到要求，就會在高速切削過程中產(chǎn)生切削荷載突變，這種突變力會加工的工件和設(shè)備自身帶來重大的沖擊，不但保證不了工件的加工質(zhì)量，甚至?xí)p壞機(jī)床。 3 對文獻(xiàn) [6]的研讀，指出影響高速切削刀具路徑的因素主要有 :切削負(fù)荷，其需要控制在極限負(fù)荷的范圍內(nèi)；殘余應(yīng)力，其需要控制在指定極限范圍內(nèi)；不論是順銑還是逆銑，要保持恒定；機(jī)床要有承受切削速度和加速度 能力；減少空程移動；避免突變的材料切除率；最短化切削時間。 （ 2）切削要連續(xù)平穩(wěn)，速度上要擇取適當(dāng)且要連續(xù)。 （ 3）為保障切削過程產(chǎn)熱少、切削力度小和排屑順暢，需選擇小軸向切深。充分研究和優(yōu)化刀具路徑對大量加工構(gòu)件有相當(dāng)重要的意義。 數(shù)學(xué)上對旅游商問題的描述是這樣的：有一盒旅行售貨商要從他所在的城市出發(fā)，到周圍的幾個城市出售貨物，每個城市去一次，最后回到出發(fā)點(diǎn)，求他的一條最短路徑。 文獻(xiàn) [8][9][10][11]在對路徑有話方面的研究都是采取了旅行商問題模型，并且尋找到了解決刀具加工是存在的諸如路徑冗長、效率低下等問題。 針對路徑有話的方法，除了使用旅行商模型，還有其他的模型可以進(jìn)行有話。并且提出此種方法可以提高加工精度。文獻(xiàn) [15]則針對孔加工路徑問題將其分為兩類做路徑優(yōu)化，分別是同類孔加工的路徑優(yōu)化和非同類的混合加工路徑優(yōu)化。 構(gòu)件加工中的裝夾技術(shù) 裝夾技術(shù)的發(fā)展對工件的加工精確度有很大的幫助，在加工過程中，裝夾就是對毛構(gòu)件定位和夾緊工件。正是由于這一不足，加工過程中產(chǎn)生的裝夾力、殘余應(yīng)力等都非常容易使構(gòu)件變形，除此之外，對于薄壁構(gòu)件，其裝夾位置、裝夾順序及其方式也是產(chǎn)生工件變形的原因，但是，在眾多影響工件變形的因素中，裝夾時產(chǎn)生的應(yīng)力對變形的影響大約占據(jù) 20－ 60％。但是，對夾具的設(shè)計也是加工鋁合金薄壁構(gòu)件必須要做的一項工作，也是重中之重的工作。 針對裝夾方法問題上，有多數(shù)的學(xué)者提出了不同于傳統(tǒng)意義上方法。文獻(xiàn) [3]提出在加工過程中使用一種輔助支撐的方法。文獻(xiàn) [24]是直接利用有限元分析方法，對加工工件時使用的裝夾方式做模擬來觀察其對加工造成的影響。如此所得到的結(jié)論是，框類零件的加工采用拉伸式裝夾是可以的，但是，若想將構(gòu)件變形控制在要求范圍內(nèi)，需要在操作中將拉伸力盡可能 取小，模具的拉伸距離盡可能取大，并且拉伸位置最好不要超出剛性良好的位置，除此之外，也要考慮到拉伸裝夾位置和順序、拉伸力等對工件精度的影響。在文獻(xiàn)[24]中，提出并且論證了在加工薄壁構(gòu)件時使用磁流變夾具可以達(dá)到預(yù)期效果，其工作流程是：加工構(gòu)件外部，其內(nèi)部需要注入磁流變液，然后通磁，此時，內(nèi)部液體會變成固體，將工件夾緊，達(dá)到減小工件變形的效果。 有限元分析在構(gòu)件加工中的 應(yīng)用 在國際上，針對金屬構(gòu)件的加工過程進(jìn)行有限元分析的研究早已存在。 隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有 限 元軟件不斷額成熟，并且在當(dāng)前逐漸成為模擬金屬加工過程的有力工具。 1984 年，人們對工件材料進(jìn)行假設(shè)，將其理想化為鋼塑體，然后利用有限元對其進(jìn)行模擬，內(nèi)容是低速切削和低應(yīng)變下的穩(wěn)定切削過 程。 有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，所作用的領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)大，普通切削加工和精度要求比較高的切削加工都可以使用。在最近，臺灣科技大學(xué)的 Ship－ Peng Lo 等人對超精度切削過程中切削熱對切削力和工件變形 的影響做了研究。文獻(xiàn) [33]是以鈦合金航空構(gòu)件為例，利用有限元方法，對周銑加工過程中切削力變化和表面變形的誤差分析做系統(tǒng)的研究，同時提出一些關(guān)鍵性的技術(shù)，如三維下非規(guī)則網(wǎng)格的刀具和工件變形的耦合疊加格式以及恒定網(wǎng)格下材料去效應(yīng)的變剛度處理方法等。文獻(xiàn) [36]是研究銑削過程中讓刀誤差和優(yōu)化銑削參數(shù)， 其例子是薄壁板，在高溫下拉伸或者壓縮獲取材料力學(xué)性能為前提，建立薄壁板銑削加工過程的熱力耦合有限元模型。對此有限元模型的結(jié)果分析得，若要減小讓刀變形，需對薄壁件銑削用量和刀具的幾何形狀做優(yōu)化處理。文獻(xiàn) [37]中，按照 ANSYS 軟件的使用要求，對工件做了諸如建模、網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件、添加荷載、求解器計算等步驟，然后分析了刀具和工件的受力情況。文獻(xiàn) [39]是借助 軟件對高速切削過程下加工的薄壁構(gòu)件用彈塑－熱耦合有限元方法進(jìn)行有效模擬，研究其變形區(qū)域內(nèi)的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力和切削力的分布。文獻(xiàn) [40]則是利用新拉格朗日方程對高速金屬切削加工過程做了模擬，并且在刀削接觸表面上建立兩類模型，即粘結(jié)滑移摩擦模型和庫倫摩擦模型。也就是說，刀切屑接觸表面上在高速加工過程中會同時存在粘結(jié)和滑移摩擦。 本文主要研究目標(biāo)、內(nèi)容和方法 研究目標(biāo) 研究對象是波導(dǎo)器件 ，使用的方 法是通過理論分析、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值模擬和試驗對高速加工中刀具選擇、走刀路徑、夾具設(shè)計和切削參數(shù)等基本加工工藝做一定程度的研究。之所以對刀具做諸多的要求，主要是因為在高速加工過程中刀具發(fā)揮著重要作用，高速加工過程中最重要的一步則是在有效合理的選擇刀具上。 （ 2）合理的選擇走刀路徑 傳統(tǒng)意義上的 NC 程序不能滿足當(dāng)前處在高速加工下的路徑選擇，在高速加工下，其特殊環(huán)境下的銑削在控 制上具有復(fù)雜性，若想保證高速下切削設(shè)備的合理運(yùn)作，刀具的走刀路徑的合理制定是首要考慮的。因此，在此方面要注意以下幾點(diǎn)，刀具路徑要平穩(wěn)恒定，下刀要注意避免直入，而采用圓弧下刀或者斜下刀，端點(diǎn)處要連續(xù)等。 初步定位構(gòu)件和確定夾緊方案的依據(jù)是理論上的分析，然后借助 ansys 軟件對受力情況和工件變形情況做模擬分析，最后通過實驗來驗證，確定方案，將加工的構(gòu)件變形控制在允許的范圍內(nèi)。 （ 2）數(shù)值模擬 通過數(shù)值模擬可以分析出工件的變形情況。 （ 3）試驗驗證 最為有效的研究方法就是試驗 ，論文中所涉及到的此類研究有刀具路徑優(yōu)化、設(shè)計試驗方案、數(shù)控程序編制和現(xiàn)象分析，最終得到切削加工參數(shù)。之所以要嚴(yán)格選擇刀具是因為高速加工中刀具各個部位受到的離心力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出切削力的作用。 工件材料工件形狀工藝特征機(jī) 床 設(shè) 備趕 工 條 件加 工 要 求刀 具 品 牌刀 具 參 數(shù)刀具選擇原料刀具壽命理論分析切 削實 驗刀 具 選 擇 圖 影響刀具 選擇的因素 零件材料與結(jié)構(gòu)特性 零件的材料屬性 表 的化學(xué)成分 合金元素 % 雜質(zhì) % 不大于 Cu Mg Al Mn Fe Si Zn Ni Ti Fe+Ni else 工件材料選自硬鋁合金 LY12，是鋁銅玫系，其化學(xué)成分見上表。另外在性能和蘇醒上都比較好，被廣泛的 8 應(yīng)用于雷達(dá)等高科技設(shè)備中起承重構(gòu)件。這其