基于切削厚度迭代计算的薄壁件加工误差建模
发布时间：2021-10-19 05:42
航空领域对钛合金薄壁零件的需求日益增加,因为其可以满足航空零件的高强度、高刚度和高抗疲劳性的要求。由于薄壁部件加工过程中金属去除量大,因此加工过程中的铣削力的变化和工件变形会导致加工尺寸精度下降。若单纯依靠试验方法研究加工误差,不仅实验过程繁重,而且会提高实验成本及实验周期。基于以上问题本文针对钛合金薄壁工件铣削过程中产生的加工误差进行理论和实验研究,主要研究内容如下:首先,在薄壁件侧铣加工过程中材料去除量大,刀具刚度大于工件刚度,易产生加工变形,通过引入加工变形量,计算变形后的切削厚度,进而改进了薄壁件侧铣加工切削力模型。根据薄壁件铣削过程中切削力与挠度变形的耦合关系,建立薄壁件铣削力预测模型。模型中考虑铣削力产生的工件系统挠度变形,以及变形系统反馈给铣削力之间的关系。其次,根据薄壁件变形机理,建立铣削过程中薄壁件挠度变形模型;通过不同的切削基本参数,建立刀具与工件切削接触区域的精确几何模型及边界判断条件;依据切削接触区域几何模型,建立单刃切削与双刃切削的判别关系;通过引入工件变形量对瞬时切削厚度进行重新计算。并进行切削试验,与试验结果进行对比,验证仿真结果的精度。然后,依据工件表面...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型弱刚性零件
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-3-并计算了剪切切变形区剪切面积以及前刀面的有效摩擦面积，采用最小能量法得到刀轴方向上的三维切削力。李水进[8]等人考虑了刀具切削刃在切削过程中的力学性能，以刀具几何模型以及切削能量恒定的基础上，克服了目前依赖于正交试验获得铣削力模型缺陷，并建立了一种基于能量法的铣削力模型。有限元法简称FEM，主要通过将刀具与工件进行离散化分析，对离散后的各个单元特征进行求解，之后将各单元组合成一个完整的矩阵体。Budak[9]等人采用变刚度的工件有限元模型，建立了铣削过程中铣削力和表面定位误差模型，同时建立了工件的动态模型。在切削形变的有限元计算中，模型的精度、边界条件和载荷条件对计算精度有很大影响。McDill[10]等人基于有限元软件和用户二次开发，建立了金属切削的热力耦合模型。王琛[11]等人采用Deform软件研究了不同铣刀结构参数对铣削力和毛刺高度的影响规律，应用多目标曲面响应分析方法对侧刃后角、底刃后角和底刃倾角三个因素进行试验设计，不同底刃倾角时的毛刺形貌，如图1-2所示。图1-2铣削过程仿真Fig.1-2Millingsimulation机械模型法基于切削过程中动态特性，通过少量实验数据采用最小二乘法拟合获得切削力系数与计算切削厚度而建立的切削削力模型。Yang[12]等人把螺旋立铣刀的切削刃等效离散成一系列微小切削单元，并采用直角切削的原理及试验数据来分析斜角切削过程中的铣削力。Altintas[13]等人利用积分理论建立了平头立铣刀铣削中切削力系数的标定模型。而双系数然切削力模型则是分别利用两个切削力系数对剪切效应与犁切效应进行分别描述。杨琳[14]以次摆线三维切屑几何模型为基础，分析在自由曲面上的切削刃与工件的接触关系，建立了
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-6-图1-5薄壁件侧铣加工仿真Fig.1-5Simulationofthin-walledpartmilling武凯[32]、董辉跃[33]等人分别采用有限元仿真的方法研究了薄壁腹板高速钥削的变形规律Ｗ及控制方法。AnhaiLi[34]等人提出了硬质合金立铣刀铣削过程的三维有限元设计和优化。对铣削Ti-6Al-4V合金进行了三维有限元仿真优化，并基于目标低切削力和切削温度原则对几何参数进行了优化，最后得到了切削钛合金时使用20mm直径的整体硬质合金立铣刀的几何参数和切削刃刃形。在通过机械模型预测表面加工误差的研究中。张智海[35]等和Zheng[36]等基于切削力/扭矩预测了端铣削过程中的表面几何误差，可以得出结论，切削力将刀具推离工件，形成正值。当切削力将刀具拉向工件时，较小的切削深度会产生误差，在较大的切削深度会出现过大的切削现象，从而导致负误差。根据单刃立铣刀的形状特征，分析了铣削力的类型，并通过与轴向/径向工具-工件的接触关系以及铣削力的测量来预测表面形状和误差[37][39]。宋戈[40]基于离散刀具模型和矢量叠加建立了整个刀具的三维切削力模型，并使用规则反馈构建了刀具偏斜误差和刚性工件表面铣削的切削力预测模型。Yue等人[41]基于工件变形后的切屑厚度和单刃刀具与工件的接触关系，预测了铣削力模型，对铣削力进行了预测，并通过获得的变形矩阵和力偏转建立了误差预测模型。Mann[42]等使用傅立叶级数展开预测切削力，使用谐波平衡法预测表面位置误差，并使用更新的时间有限元分析同时预测表面位置误差和颤振。Dépincé[43]等人根据刀具与工件的接触点以及切削刃的运动规律，用近似多项式计算铣削
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Deform的大长径比PCD微铣刀结构设计及参数优化[J]. 王琛,郝秀清,刘凌辉,陈梦月,何宁. 金刚石与磨料磨具工程. 2019(04)
[2]钛合金薄壁件铣削过程有限元仿真分析[J]. 岳彩旭,刘鑫,何耿煌,李凌祥. 航空制造技术. 2019(13)
[3]基于Matlab GUI的图像处理平台设计[J]. 任海鹏,邓春红. 电脑知识与技术. 2017(34)
[4]基于Matlab软件GUI的机械波模拟[J]. 王浩然,徐春芳,杨玲,胡琦珩,叶子,丁益民. 物理与工程. 2017(02)
[5]高速铣削TB6钛合金切削力和表面粗糙度预测模型[J]. 常文春,易湘斌,李宝栋,张玲,徐创文,沈建成,李怀元. 制造技术与机床. 2017(04)
[6]铣削力预测方法和影响因素综述[J]. 赵凯,刘战强. 机械科学与技术. 2015(08)
[7]基于整车车门薄壁模拟块的铣削力模型研究[J]. 席吕超,韩先洪,孔啸,李铭. 现代制造工程. 2014(07)
[8]变温度载荷下薄壁结构非线性动态响应分析[J]. 李纪永,李舜酩,马赛,方立成. 振动.测试与诊断. 2013(06)
[9]基于多元线性回归和BP神经网络铣削力的预测[J]. 胡艳娟,王占礼,朱丹. 制造业自动化. 2013(18)
[10]基于铣削力精确建模的工件表面让刀误差预测分析[J]. 宋戈,李剑峰,孙杰. 机械工程学报. 2013(21)
博士论文
[1]球头铣刀铣削淬硬钢模具铣削力及模具加工误差研究[D]. 杨琳.哈尔滨理工大学 2017
[2]薄壁零件高速铣削过程中非线性振动的研究[D]. 周瑞.北京工业大学 2013
硕士论文
[1]铣削过程颤振稳定性分析与多轴加工系统刚度场建模[D]. 渠达.哈尔滨理工大学 2014
[2]整体立铣刀瞬态切削力理论预报及应用研究[D]. 王启东.山东大学 2012
本文编号：3444262
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型弱刚性零件
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-3-并计算了剪切切变形区剪切面积以及前刀面的有效摩擦面积，采用最小能量法得到刀轴方向上的三维切削力。李水进[8]等人考虑了刀具切削刃在切削过程中的力学性能，以刀具几何模型以及切削能量恒定的基础上，克服了目前依赖于正交试验获得铣削力模型缺陷，并建立了一种基于能量法的铣削力模型。有限元法简称FEM，主要通过将刀具与工件进行离散化分析，对离散后的各个单元特征进行求解，之后将各单元组合成一个完整的矩阵体。Budak[9]等人采用变刚度的工件有限元模型，建立了铣削过程中铣削力和表面定位误差模型，同时建立了工件的动态模型。在切削形变的有限元计算中，模型的精度、边界条件和载荷条件对计算精度有很大影响。McDill[10]等人基于有限元软件和用户二次开发，建立了金属切削的热力耦合模型。王琛[11]等人采用Deform软件研究了不同铣刀结构参数对铣削力和毛刺高度的影响规律，应用多目标曲面响应分析方法对侧刃后角、底刃后角和底刃倾角三个因素进行试验设计，不同底刃倾角时的毛刺形貌，如图1-2所示。图1-2铣削过程仿真Fig.1-2Millingsimulation机械模型法基于切削过程中动态特性，通过少量实验数据采用最小二乘法拟合获得切削力系数与计算切削厚度而建立的切削削力模型。Yang[12]等人把螺旋立铣刀的切削刃等效离散成一系列微小切削单元，并采用直角切削的原理及试验数据来分析斜角切削过程中的铣削力。Altintas[13]等人利用积分理论建立了平头立铣刀铣削中切削力系数的标定模型。而双系数然切削力模型则是分别利用两个切削力系数对剪切效应与犁切效应进行分别描述。杨琳[14]以次摆线三维切屑几何模型为基础，分析在自由曲面上的切削刃与工件的接触关系，建立了
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-6-图1-5薄壁件侧铣加工仿真Fig.1-5Simulationofthin-walledpartmilling武凯[32]、董辉跃[33]等人分别采用有限元仿真的方法研究了薄壁腹板高速钥削的变形规律Ｗ及控制方法。AnhaiLi[34]等人提出了硬质合金立铣刀铣削过程的三维有限元设计和优化。对铣削Ti-6Al-4V合金进行了三维有限元仿真优化，并基于目标低切削力和切削温度原则对几何参数进行了优化，最后得到了切削钛合金时使用20mm直径的整体硬质合金立铣刀的几何参数和切削刃刃形。在通过机械模型预测表面加工误差的研究中。张智海[35]等和Zheng[36]等基于切削力/扭矩预测了端铣削过程中的表面几何误差，可以得出结论，切削力将刀具推离工件，形成正值。当切削力将刀具拉向工件时，较小的切削深度会产生误差，在较大的切削深度会出现过大的切削现象，从而导致负误差。根据单刃立铣刀的形状特征，分析了铣削力的类型，并通过与轴向/径向工具-工件的接触关系以及铣削力的测量来预测表面形状和误差[37][39]。宋戈[40]基于离散刀具模型和矢量叠加建立了整个刀具的三维切削力模型，并使用规则反馈构建了刀具偏斜误差和刚性工件表面铣削的切削力预测模型。Yue等人[41]基于工件变形后的切屑厚度和单刃刀具与工件的接触关系，预测了铣削力模型，对铣削力进行了预测，并通过获得的变形矩阵和力偏转建立了误差预测模型。Mann[42]等使用傅立叶级数展开预测切削力，使用谐波平衡法预测表面位置误差，并使用更新的时间有限元分析同时预测表面位置误差和颤振。Dépincé[43]等人根据刀具与工件的接触点以及切削刃的运动规律，用近似多项式计算铣削
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Deform的大长径比PCD微铣刀结构设计及参数优化[J]. 王琛,郝秀清,刘凌辉,陈梦月,何宁. 金刚石与磨料磨具工程. 2019(04)
[2]钛合金薄壁件铣削过程有限元仿真分析[J]. 岳彩旭,刘鑫,何耿煌,李凌祥. 航空制造技术. 2019(13)
[3]基于Matlab GUI的图像处理平台设计[J]. 任海鹏,邓春红. 电脑知识与技术. 2017(34)
[4]基于Matlab软件GUI的机械波模拟[J]. 王浩然,徐春芳,杨玲,胡琦珩,叶子,丁益民. 物理与工程. 2017(02)
[5]高速铣削TB6钛合金切削力和表面粗糙度预测模型[J]. 常文春,易湘斌,李宝栋,张玲,徐创文,沈建成,李怀元. 制造技术与机床. 2017(04)
[6]铣削力预测方法和影响因素综述[J]. 赵凯,刘战强. 机械科学与技术. 2015(08)
[7]基于整车车门薄壁模拟块的铣削力模型研究[J]. 席吕超,韩先洪,孔啸,李铭. 现代制造工程. 2014(07)
[8]变温度载荷下薄壁结构非线性动态响应分析[J]. 李纪永,李舜酩,马赛,方立成. 振动.测试与诊断. 2013(06)
[9]基于多元线性回归和BP神经网络铣削力的预测[J]. 胡艳娟,王占礼,朱丹. 制造业自动化. 2013(18)
[10]基于铣削力精确建模的工件表面让刀误差预测分析[J]. 宋戈,李剑峰,孙杰. 机械工程学报. 2013(21)
博士论文
[1]球头铣刀铣削淬硬钢模具铣削力及模具加工误差研究[D]. 杨琳.哈尔滨理工大学 2017
[2]薄壁零件高速铣削过程中非线性振动的研究[D]. 周瑞.北京工业大学 2013
硕士论文
[1]铣削过程颤振稳定性分析与多轴加工系统刚度场建模[D]. 渠达.哈尔滨理工大学 2014
[2]整体立铣刀瞬态切削力理论预报及应用研究[D]. 王启东.山东大学 2012
本文编号：3444262
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