12.铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究

铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究

姓名：邓文申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化

指导教师：袁军堂

20090525

摘要铝合金复杂薄壁构件高速加工工工艺研究摘要铝合金复杂薄壁构件在航空、航天、汽车等众多领域有着广泛的应用，但其结构复杂、刚性差，在切削过程中易发生加工变形，加工质量难以符合要求，因此铝合金复杂薄壁构件的加工一直是一个难点。论文依托某科研项目，基于ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ技术，采用高速加工理论分析、数值模拟、实验验证相结合的方法，对铝合金复杂薄壁构件的高速加工工艺进行了研究。本论文主要研究内容与相关结论如下：１、对高速加工刀具轨迹进行了优化。以提高加工效率，改善加工质量，提高刀具使用寿命为目标，对刀轨的切入方式、环间移刀方式、圆角的刀具轨迹优化、平面铣削路径进行了分析，总结出了其最佳的刀轨优化方式。２、分析了典型薄壁结构如侧壁和腹板的加工特点和控制变形方法，同时利用有限元软件对其加工变形过程进行模拟和仿真。并通过试验的方法对侧壁的加工变形进行验证，得出的结果符合有限元的模拟结果。３、分析了薄壁构件阵面骨架的结构特性和工艺特点，以控制工件变形为首要目标，确定了薄壁件加工时的定位与夹紧方案，设计出了薄壁件的专用夹具。同时优化了薄壁件的加工工艺，选择出了最佳加工工艺方法。４、在上述对典型薄壁结构进行分析，对阵面骨架进行夹具设计、工艺优化的基础上，选择了合适的刀具类型和切削参数对构件进行高速铣削加工。测量了薄壁件的表面粗糙度，观察了其局部形貌，加工出的零件满足了图纸的要求。关键词：薄壁构件，高速铣削，工艺优化，变形控制ＡｂｓｔｒａｃｔＣ０ｍｐｌｅｘｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓａｒｅｕｓｅｄｍｏｒｅａＩｌｄｍｏｒｅｍ剐粼ａｕｔｉｃｓ．钺｜臼．０ｎ删ｃｓＢｃｃａ璐ｅｏｆ∞ｍｐｌｅＸａｎｄｔｈｅａｒｅａｏｆｖｅｈｉｃｌｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ａｎｄｓｕｃｈｏｔｈｅｒｒｅａｌｍｓ·ａｒｅｓ锄ｃ船ａｎｄｌｏｗｒｉｇｉｄｉｔｙ，ｔｈｅｙｅａｓｙｔｏｄｅｆｏｒｍｗｈｅｎａｍａｃｎｌ盥ｇｉｔ’ｓａｎｄｃａＩｌ，ｔｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｕｒｆａｃｅｑｕａｌｉｔｙ，ＳＯｐｒｏｂｌｅＩｎｆｏｒｔｈｅａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓｂａｓｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｒｅｌｉｅｄｏｎｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｔｈｅｍｅｔｈｏｄｒｅｓｅ砌１ｔ锄＇ｏｎＶｅＤｒｍｔ豇Ｃｍｔｍａ蛐ｇｔｈｅｏｒｙ，ｎｕｍｅｒｉｃｏｎＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｕｓｉｎｇｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍｇｔｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｖａｌｉｄａｔｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｓＤｅｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｃｏｍｐｌｅｘｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｆｏｌｌｏｗｓ：ｗｏｒｌ币１ｅｃｅｓ·ｌｈｅｍａｊｈｗｏｒｋａｎｄｒｅｌｅｖａｎｔｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓＦｉｒｓｔｌＭａｒｅａｓ１１ｉ曲．ｓｐｅｅｄｏｔｈｅｒｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｏｏｌｐａｔｈｉｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．ＩｎｔｏｍａｐｒｏＶｅｔｈｅａｎｄｔｏｏｌｌｉｆｅ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｃｕｔｉｎｔ０ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｍｏｖｅｓｂｅｔｗｅｅｎｌｏｏｐｓ，ＣＯｍｅｒｍｉｌｌｉｎｇｏｆｔｏｏｌｐａｍｏｆｔｈｅｔｏｏＩｓｔｒａｔｅｇＹｐａｔｈｓ，ｔｏｏｌｏｐｆｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｐｌａｎｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．ｍｉｌｌｉｎｇｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｔｏｏｌｐａｔｎｓｐａｔｈｓ，ａｎｄｔｈａｔｔｈｅｂｅｓｔｗａｙａｒｅＳｅｃｏｎｄｌｖ，ａｎａｌｙｚｅｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｌｎｇ呲‰ｄＳａｂｏｕｔｔｈｃ啪ｉｃａｌｔｈｉｎ．ｗａｌｌｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｓｕｃｈａｓｓｉｄｅ—ｗａｌｌａｒｅａｎｄｗｅｂ·Ａｔｔｈｅｓ锄ｅｂＹｔｈｅｔｉｍｅ．ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｓｉｄｅ－ｗａｌｌａｎｄｗｅｂ丘Ｉｌｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｅｄａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｓｉｄｅ’ｗａｌｌｉｓｔｈｅｓｏ仕ｗａｒｅ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｒｅｓｕｌｔｓａｒｅＶｅｒｉｆｉｅｄｔｈｒｏｕ幽ｍｅｒｅｓｕｌｔｓ．ｅＸｐ砸ｎｅｎｔｓ．Ｔｈｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａ乜ｏｎ弧蛀ｒｄｌＸｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｌｃｓ·Ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅ’ｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｒｄｅｒｔｏｃｏｎｔｒ．ｏｌｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅ，ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｄａｍｐｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｒ０酉ａｍｏｆｍｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅａｒｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ，ａｎｄａｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ·ＡｔｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｐｕｒｐｏｓｅｆｉｘｔｕｒｅＲｒｅｓ锄ｅｔｉｍｅ，ｍｅｍａｄｌｉｍｎｇｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄｗｏｒｋｐｉｅｃｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄ·ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅＦｉｎａｌｌｖ’ｂａｓｅｄｏｎ血ｅａｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄｔｙｐｉｃａｌｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ’ａｎａｌｙｓｉｓ，ｎｘｔｕｒｅｏｆｔｈｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅ，ｃｈｏｏｓｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｉｇｈｔｔｏｏｌａｎｄｃｕｔｔｌｎｇｐａｒａｍ曲西ｓ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｍｉｌｌｉｎｇｗｏｒｋｐｉｅｃｅ翻】ｒｆ－ａｃｅａｌｅｄｏｎｅ·Ｂｙｍｅａｓｕｎｎｇｔｈｅａｐｐｅａｒａｎｃｅ，ｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄｐａｒｔｓ，ｏｂｓｅｒｖｉｎｇｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｌｏｃａｌｗｏｒ：ｋｐｉｅｃｅｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｄｒａｗｉｎｇｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｈｉｎｗａｌｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，Ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍｉｌｌｉｎｇ，Ｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＤｅｆｏｒｍｉｎｇＣＯｎｔｒｏｌⅡ声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：里壁童【）了年石月眵日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：翌塞ｃ）罗年石月乃日硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究１绪论１．１选题的背景及意义在航空航天、汽车、电子电器等工业领域，要求提高零部件的强度与刚度、韧性、抗腐蚀抗断裂能力，同时降低它们的重量。铝合金等轻质合金制成的薄壁整体结构件，它们可以减少零件总数和装配工作量，且具有比强度高、导热导电性好等众多优良性能，所以越来越多的应用于工业各领域。但这些铝合金薄壁件结构复杂、刚性很差、材料切除率高达９０％以上，在加工过程中极易产生变形，很难满足加工精度和表面质量的要求，因此铝合金复杂薄壁构件的加工一直是一个难点。高速切削是当今世界先进制造技术之一，其理念从２０世纪２０年代初提出以来，引起了人们很大的兴趣而成为切削加工研究的热点。经过半个多世纪的艰难的理论探索和研究，并随着高速切削机床技术和高速切削刀具技术的发展和进步，到２０世纪８０年代后期进入工业化应用研究。它的优点在于：（１）加工时间短，加工效率高；（２）刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小；（３）刀具和工件受热影响小、试件表面温度低；（４）工件表面粗糙度小；（５）可完成高硬度材料的加工。高速加工由于其具有这些特点，而成为铝合金薄壁构件高精度加工的一种有效方法。因此，基于高速加工平台，开展铝合金零件关键工艺技术的研究，应用计算机技术和试验方法对工艺方法和工艺参数等方面进行仿真和优化，是较好的技术途径。对于保证零件加工质量，缩短零件加工周期，实现产品的快速更新换代，提供了很好的技术支持。高速切削加工技术最突出的优点是高的生产效率、高的加工精度和高的表面质量，并降低了生产成本。现代工业发达国家，随着科学技术的突飞猛进和经济发展的强大推动，高速切削加工技术已成为切削加工的主流，成批的高速加工机床和各种新型高速切削刀具等投入市场，日益广泛应用于模具、航空、航天、高速机车和汽车工业等领域，并取得了巨大的经济效益。我国高速切削加工技术起步较晚，目前的研究和应用仍处于初步阶段，主要集中在切削参数、切削机理、切削力、切削热等方面的研究。尽管我国高速加工技术的研究还有待于全面深入，但是通过我国科技工作者的艰苦努力，高速切削加工和高速切削机床的理论研究取得了很大的进步，对促进我国高速切削加工技术的发展起到了重大作用。作为面向２１世纪的一种先进制造技术，高速切削有着非常强大的生命力和广阔的应用前景。１绪论硕士论文１．２高速切削及其发展现状１．２．１高速切削的概念高速切削加工是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和表面质量的现代加工技术。它不仅能大幅度提高单位时间材料切除率，而且在切削速度达到一定区域后，切削力下降，工件的温升降低，热变形减小。由于不同的加工工序、不同的工件材料有不同的切削速度范围，因而很难就高速切削的速度范围给定一个确定的数值。对于不同的材料，一般认为灰铸铁的高速切削速度是８００～３０００ｍ／ｍｉｎ、钢件为５００－２０００ｍ／ｍｉｎ、钛合金为１００～１０００ｍ／ｍｉｎ、铝合金为１０００～７０００ｍ／ｍｉｎ。在小直径刀具铣削加工中，切削速度很难达到１０００ｒｌＶｍｉｎ以上，所以只要主轴转速高于８０００ｒ／ｒａｉｎ时即为高速切削加工。高速切削加工技术是在机床结构及材料、高速主轴系统、快速进给系统、商ｌ生能ＣＮＣ控制系统、机床设计制造技术、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测试技术、高速切削加工理论、高速切削加工工艺等诸多相关的硬件与软件技术均得到充分发展的基础上综合而成的。因此高速切削加工技术是一项复杂的系统工程，是诸多单元技术集成的一项综合技术【Ｉ】。１．２．２高速切削的发展自２０世纪３０年代德国ＣａｒｌＳａｌｏｍｏｎ博士首次提出高速切削概念以来，经过５０年代的机理与可行性研究，７０年代的工艺技术研究，到９０年代初，高速切削技术开始进入实用化，到９０年代后期，商品化高速切削机床大量涌现，这为高速切削技术的进一步发展奠定了坚实的基础，２１世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用，在发展中国家也正逐步得到应用，正成为切削加工的主流技术。高速切削加工的发展可分为以下五个阶段：（１）设想和理论探索阶段（１９２４年～１９５７年）继ＣａｒｌＳａｌｏｍｏｎ博士研究后，１９４９年美国Ｗｉｌｌｉａｎ．Ｃｏｏｍｌｙ发现切削功率随转速下降的现象。Ｒ．Ｌ．Ｖａｕｇｈｎ在５０年代后期，受到钻井速度较高的影响，激发了对高速切削加工金属进行深入研究的想法，奠定了第二阶段的开始。（２）高速切削机理和理论研究阶段（１９５８年～１９７１年）Ｒ．Ｌ．Ｖａｕｇｈｎ于１９５８年进行了切削速度较广的切削试验，得出切削速度的提高有助于表面加工质量的改善，尤其是对铝合金。１９６４年，法国对钢和铸铁进行了高速切削试验，证明高速切削加工铸铁是可行的。在此期间，澳大利亚、英国、日本也开始了对高速切削加工的研究。（３）高速切削应用探索阶段（１９７２年～１９７８年）２硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究美国的Ｒ．Ｉ．Ｋｉｎｇ研究小组试制出转速达１８０００ｒｐｍ、功率为２５马力的卧式高速加工中心。德国Ｄａｒｍｓｔａｄｔ工业大学于１９７８年开始研究高速切削的切削形成机理。法国研制出主轴转速达６００００ｒｐｍ、进给速度５０ｍ／ｍｉｎ的高速铣床。（４）高速切削技术进入应用阶段（１９７９年－－－１９８９年）１９７９后美国开始了现代，ｎ－Ｆ技术研究计划（ｊｗＲＰ），该计划对高速切削机理、刀具及工艺进行了十分全面的研究，切削速度高达７６００ｍ／ｍｉｎ，切削材料有钢、铸铁、铅、黄铜、铝合金等，刀具材料包括碳素工具钢、高速钢、金属陶瓷、陶瓷等。德国的Ｄａｒｍｓｔａｄｔ工业大学１９８１年研制成功高速主轴系统。１９８４年Ｄａｒｍｓｔａｄｔ工业大学和德国１８家企业联合开展高速切削研究工作，在高速切削机理及工艺方面取得了卓越成果，使德国在高速切削研究领域超过了当时居领先地位的美国。（５）高速切削技术进入成熟阶段（１９９０年至今）进入９０年代后，工业发达国家陆续投入到高速切削技术及其相关产品的研究、开发应用中来，大力推动了现代数控加工技术的发展。现在在工业发达国家，高速切削加工技术已经成为切削加工的主流。１．２．３高速切削的特点高速切削与一般切削加工相比，由于切削速度的大幅度提高，其切削机理有了较大的不同，因而有其显著特点【２】【３】，主要表现在：（１）生产效率大大提高提高生产效率是机动时间和辅助时间大幅度减少、加工自动化程度提高的必然结果。研究表明，主轴转速和进给运动的高速化，加工时间减少了５０％，大大提高了生产率。（２）能获得较高的加工精度和表面质量对同样的切削层参数，高速切削的单位切削力明显减少。若在保持高效率的同时适当减小进给量，切削力的减幅还要加大，这使工件在切削过程中的受力变形显著减小。同时，高速切削使传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低。因此，热影响区和热影响程度都较小。有利于提高加工精度，有利于获得低损伤的表面结构状态和保持良好的表面物理性能及机械性能。特别是对于大型框架件、薄壁件、薄壁槽型件的高精度高效加工，高速切削是目前唯一有效的方法。（３）加工能耗低，节省制造资源高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。如洛克希德飞机公司的铝合金超高速切削，主轴转速从４０００ｒ／ｍｉｎ提高到２００００ｒ／ｍｉｎ时，切削力下降３０％，而材料切除率增加３倍。单位功率的材料切除率可达１３０－１６０ｃｍ３／（ｍｉｎ．ｋｗ），而普通铣削仅为３０ｃｍ３／（ｍｉｎ．ｋｗ）。由于切除率高，能耗低，工件的加工时间短，提高了３Ｉ绪论硕士论文能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源中的比例，因此，高速切削符合可持续发展战略的要求。（４）能获得较好的表面完整性高速切削时，在保证生产效率的同时，可采用较小的进给量，从而减少了加工表面的粗糙度；又由于切削力小且变化幅度小，机床的激振频率远高于切削工艺系统的固有频率，因此切削振动对加工表面质量的影响很小：切削热传入工件的比率大幅度减少，加工表面受热时间短，加工表面可保持良好的物理力学性能。（５）延长了刀具的寿命根据目前的研究结果，切削速度的提高一般总会使切削温度增高，从而加快刀具的磨损。但是由于在高速切削过程中，刀具磨损量的增长速度低于切削效率的提高速度，因此，刀具的寿命相对有较大的提高。据有关资料介绍，高速切削的刀具寿命（切削路程）比传统切削方法提高了７０％左右。（６）简化了工艺流程，降低生产成本由于在某些应用场合，高速铣削的表面质量可与磨削加工媲美，高速铣削可直接作为最后一道精加工工序。因而简化了工艺流程，降低了生产成本，其经济效益十分可观。因为不仅在购置机床时节省了磨床的费用。，而且可以在生产中提高铣床的使用率，通过简化工艺流程带来的效益是高速切削的真正潜力。当然，高速切削也存在一些缺点，如昂贵的刀具及机床（包括数控系统）、刀具平衡性能要求高、以及低的主轴寿命等。１．２．４高速切削的关键技术国外在高速切削加工方面进行了大量的工作，着重开展了研制、发展和提供能够适应于高速切削加工用的高质量、高性能、高可靠性的加工设备和装置。与高速切削加工设备和装置相关的新技术包括：机床结构改进、主轴结构改进、坐标轴驱动技术、导轨设计、刀具材料研究、刀具夹持装置、冷却处理技术、精密位置测量技术、排屑技术以及能适应于高速切削加工设备控制的ＣＮＣ控制系统及软件等【４】。高速加工的机床要满足以下条件：配备结构紧凑的高速主轴、机床的功率要求足够大、机床主轴加速度大、高速进给系统、高速高精度插补系统、快速响应数控系统和高精度的伺服系统【５１。目前，高速切削加工机床主要有以下几个关键技术：（１）高速主轴系统高速主轴系统是高速切削技术最重要的关键技术之一。目前主轴转速在（１５０００－－３００００）ｒ／ｍｉｎ的加工中心越来越普及，已经有转速高达（１０００００－１５００００）ｒ／ｍｉｎ的加工中心。更高的高速主轴系统也正在研制开发中【２】。高速主轴由于转速极４硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形，所以必须严格控制，为此对高速主轴提出如下性能要求：１）结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪声，具有良好的启、停性能；２）足够的刚性和高的回转精度；３）良好的热稳定性；４）大功率；５）先进的润滑和冷却系统；６）可靠的主轴监测系统。（２）快速进给系统高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。目前切削时进给速度一般为（３０－＇－６０）ｍ／ｒａｉｎ，最高达１２０ｍ／ｒａｉｎ，要实现并准确控制这样高的迸给速度，对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。（３）高速ＣＮＣ控制系统【６】在高速加工中，为了实现高的进给速度，必须确保计算机数控系统有足够快的运算速度。只有使用高性能的计算机数控系统才能在三维型面的高速加工中获得高的进给速度。此类计算机数控系统应具有如下特点：１）伺服周期短；２）代码段处理时间短；３）具有ＰＣ体系结构；４）具有待加工轨迹监控功能；５）具有曲线插补功能。ｅ４）高速切削刀具技术刀具材料对高速切削加工技术的发展具有决定性意义。目前已发展的刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合刀具（金属陶瓷）、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具等【７ｌ。刀具材料对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用，因此刀具材料应具备如下一些基本性能：１）硬度和耐磨性：刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好；２）强度和韧性：刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃；３）耐热性：刀具材料的耐热性要好，能承受高的温度，具备好的抗氧化能力；４）工艺性能和经济性：刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。高速切削刀具结构主要有整体和镶齿两类。镶齿刀具主要采用机夹结构。高速回转刀具由于高速引起离心力作用，会造成刀体和刀片夹紧结构破坏以及刀片破裂或甩掉，所以刀体和夹紧结构必须有高的强度与断裂韧性和刚性，保证安全可靠。刀体重量尽量轻以减少离心力，高速回转刀具必须进行动平衡，以满足平衡品质的要求。１．３薄壁件加工变形控制的国内外研究现状１．３．１装夹方案的改进夹具在加工过程中起着定位和夹紧工件的作用，工件装夹的正确性直接影响着工５１绪论硕士论文件的加工精度。铝合金薄壁件高速加工过程中的夹具设计除了要满足定位和夹紧这～基本要求外，还要考虑铝合金薄壁件自身的特点。铝合金薄壁件自身结构刚性差，在受到装夹力（压力和拉力）、切削力、初始残余应力等作用下极易产生加工变形。因此，薄壁件加工过程中的变形问题被一些学者认为是薄壁件加工的“瓶颈’’问题【引。而在影响薄壁件加工变形的众多因素中，装夹应力引起的变形约占２０％．．６０％１９１。对于薄壁零件，装夹位置、装夹顺序和加载方式都会对工件变形有重要影响【ｌＯｌ。因此夹具设计是研究薄壁件加工的一个重点。在现有薄壁结构件的装夹方式中，普遍存在着问题，尤其是高速切削加工航空整体结构件的装夹方面，还需要傲大量的研究工作。国内学者在装夹变形方面做了些研究工作，通过分析夹具夹紧误差的各种影响因素及其影响方式，并根据影响方式归纳出产生夹紧变形的两大原因，即由夹紧副变形导致的工件位置误差与由外力导致的工件加工变形【ｌｌ】。从压紧调整、结构调整、定位调整的角度对目前的机械、液压、真空吸附等装夹方式的优劣进行了分析【１２】。对于在飞机整体结构件的翻面加工时提供较好的定位和支撑、对于较薄的结构提供辅助支撑、对于外轮廓加工进行连续切削，从压紧调整、定位调整、结构调整三方面对工装的设计进行分析，并指出对于飞机结构零件的加工来说，压紧调整和定位调整更为有效，结构调整则需要制造不同种类的更换部件，管理和使用都比较繁琐【１３１。随着薄壁结构件的广泛应用，许多新型装夹方式逐渐产生，并在实际生产中得到应用。其目的是实现薄壁件的少、无变形装夹，其主要思路是提高工件的刚度，简称加固。主要的加固装夹方法是利用填充式加固材料如尿素、低熔点合金、石蜡、磁流变液对工件及夹具进行加固装夹，这些材料在特殊条件下可以实现从液体到固体的转变，提高工件和夹具的整体刚度，减小装夹变形【１４－１６】。目前在国外航空业、模具业正使用的一种新的装夹方式——电控永磁吸盘装夹，与传统的机械、液压夹具系统及电磁吸盘装夹方式进行对比，电控永磁吸盘装夹方式将在高速加工系统中扮演重要的角色【１７１。１．３．２切削参数的选择高速加工中的切削速度、每齿进给量和背吃刀量等因素对工件的切削力和表面质量有着重要影响。基于刀具尺寸、加工表面形状、工件材料、加工工序、机床特性、切削方式等方面对切削参数进行优化，保证动态刀具轨迹精度和加工表面质量，从而实现高效切削进给运动【ｌ８１。国内外许多学者以Ｔａｙｌｏｒ公式１，．，＝Ｃ（ｙ：切削速度；乃刀具寿命；Ｃ、ｎ－刀具寿命常数）或其它派生方程为基础，以三个经济性标准（最大生产率或最短生产时间标准、最低生产成本标准和最大利润率标准）为目标函数，相继建立了车削、铣削、６硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究钻削等工序的切削加工模型，并采用一定的优化算法寻求参数的最优解【１９】。针对铝合金的加工特点，在保证生产效率的前提下，以减少加工变形、提高加工质量为目的，分别对铝合金腹板和侧壁的加工提出了合理的切削参数选择范围，并采用理想点法以ＭＡＴＬＡＢ为工具对铝合金侧壁和腹板进行切削参数的多目标优化。以最少生产时间为目标，以切削力、主轴扭矩、最大功率、机床进给速度和切削速度为约束，建立了端面铣削加工模型【２０】。在薄壁板进行高温拉伸试验和高速压缩试验获得材料力学性能的基础上，建立了薄壁板铣削过程的热力耦合有限元模型，以此来研究薄壁工件在铣削加工过程中的让刀误差及获得使让刀误差较小的优化铣削参数。在薄壁腹板的铣削加工过程中，充分利用工件整体刚性的切削方案，改变轴向切深和径向切深数值的比例，即在加工过程中主要采用较大的轴向切深和较小的径向切深，可使切削过程处在刚性较佳的状态【２１’２２】。对铣削加工力学模型讨论的基础上，通过理论分析与切削试验，得出了轴向切深吻、径向切深口。、切削速度Ｖｃ与进给量．磊对切削力以及加工变形的影响规律，总结了高速加工薄壁件时切削参数选择原则，并加工出了合格的薄壁结构零件【２３１。在高速切削范围内，随着切削速度增加，切削温度升高，摩擦系数∥减小，剪切角增大，切削力降低；但要注意，当切削速度超过１５００ｍ／ｒａｉｎ时，因切削动量改变而会增加切削力和机床功率的消耗【２４１。针对薄壁件在数控加工中变形难以控制，无法保证加工质量的问题，提出了基于四步（修改切削参数、确定关键区域、确定边界点、修改刀位文件）的进给量局部优化、法【２５１。在高速切削的参数选择方面，每齿进给量和切削深度应该尽量选取较小值，可以通过提高切削速度来提高进给速度，并且每齿进给量正越小，表面残留面积高度越低，表面粗糙度就越低。所以在高速切削时，利用减小进给量来提高加工表面的质量是一个较为有效的措施，但是迸给量尼不宜过小。否则，会加剧刃口圆弧半径对加工表面的挤压，增加冷硬程度和残余应力【２６】。１．３．３刀具路径的优化高速加工中刀具走刀路径的不同对加工过程中薄壁结构件残余应力的产生和分布趋势将产生不同的作用效果。如果加工的刀具路径不合理，在切削过程中就会引起切削载荷的突变，从而给零件、机床和刀具带来冲击，不但会破坏加工质量，还会损坏刀具和机床。在实际零件的高速切削路径编制过程中，可以遵循以下刀具路径的优化原则【２７】．（１）进刀时采用螺旋或圆弧进刀，使刀具逐渐切入零件，以保证切削力不发生突变，延长刀具寿命；（２）切削速度要连续，不要有突变，使切削连续平稳；７１绪论硕士论文（３）切削时尽量使用顺铣，它可以使切削过程稳定，不易过切，刀具磨损小，表面质量好；（４）采用小的轴向切深以保证小的切削力、少的切削热和排屑的顺畅；（５）无切削方向突变即刀具轨迹是无尖角的，尖角处的轨迹用圆弧或其它曲线来取代，从而保证切削方向的变化是逐渐的而不是突变的。对于航空整体结构件中常见的薄壁单框零件，采用单一环切、螺旋切削时，腹板变形很难控制，而采用大切深和分步环切走刀，可以充分利用薄壁零件未加工部分的刚性，有效控制了薄壁件腹板的加工变形，提高加工精度。对于多型腔的薄壁零件，为了避免加工产生翘曲变形，关键要定义好型腔的加工顺序，并列出了定义加工顺序的原则。以框类整体结构件为研究对象，研究了三种隔框加工顺序（顺序铣削、奇偶铣削、偶奇铣削）对零件加工变形的影响，确定了铣削加工变形最小的隔框加工顺序【２８１。成都飞机公司在加工多框的飞机梁时采用外环铣的走刀路径，奇偶铣（先加工排在奇数位置的框，后加工排在偶数位置的框）的框加工顺序，以此来减小梁的加工变形【２９】。１．３．４残余应力的消除与均匀化毛坯在切削加工过程中，随着被切削材料的去除，一方面会引起工件内部原有残余应力的释放和再分布，另一方面由于装夹力、切削力、切削热的作用在工件表层产生新的残余应力，这种残余应力主要分布在已加工表面的表层，会影响到表层物理性能。如果能显著降低和均匀化毛坯中的残余应力，必将大大降低工件的变形潜能。因此可以在原材料制作中采取了诸多降低初始应力的措施：如化学成分控制、熔炼浇铸和挤压成型中的残余应力控制、材料的固溶淬火和时效等［３０１。此外，除了传统的热处理消除毛坯残余应力方法之外，已经成功开发了许多行之有效的消除铝合金毛坯初始应力的方法，有些方法已在生产中获得了成功的应用，主要包括：（１）深冷处理消除模锻件毛坯残余应力方法；（２）机械拉伸法消除板材残余应力方法；（３）模冷压法消除复杂形状铝合金模锻件残余应力的方法等。１．４论文的主要研究内容论文依托某部委预研项目“木宰幸波导器件精密加工技术＂展开研究工作。如图１．１所示，天线骨架泛指那些位于反射面和转盘台面之间的承力结构，具有承上启下的功能。它们支撑、定位反射面，传递外负载，将阵面负载传递至转盘，并带动整个天线作回转扫描。对于不同的天线产品，可能是单一结构也可能是组合结构。本论文即以波导器件中某天线的阵面骨架件作为研究对象，基于ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ技术，运８硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究用高速加工理论、数值模拟及试验验证等手段，从工件装夹、切削参数、走刀路径等方面考虑，通过对铝质复杂薄壁型腔结构件的高速加工进行研究，探索其规律，并结合实际情况进行加工试验，以此解决铝质薄壁结构件的加工变形问题。图１．１天线阵面的典型结构口１ｌ１．４．１论文的研究内容（１）高速加工刀具轨迹的优化。刀具轨迹优化的目标是提高加工效率，改善加工质量，。提高刀具使用寿命，研究内容包括最优路径，走刀优化，拐角优化等。对刀轨的切入方式、环间移刀、圆角刀具轨迹、平面铣削的路径进行优化分析，总结出其最佳的刀具轨迹。（２）铝合金典型薄壁结构的加工。对典型薄壁结构如侧壁和腹板的加工，要最大限度的减少工件变形，提高工件加工质量。利用有限元软件对薄壁结构加工过程中的变形进行仿真模拟，并通过试验进行验证。（３）对本课题所要研究的阵面骨架的材料特性、结构特点进行详细分析，得出工件的加工难点；在此基础上，以控制工件变形为首要目标，确定薄壁件加工时的定位与夹紧方案，并结合前面章节的分析结果和工件的结构特点设计出工件的专用夹具。（４）对本课题所要研究的阵面骨架件进行工艺优化，并制订出加工工件的最佳加工工艺方法和走刀路径。（５）工件的高速铣削试验加工。在上述对工件进行结构分析、夹具设计、工艺优化基础上，通过选择合适的切削参数和刀具对工件进行高速铣削加工，测量工件加工表面的粗糙度，观察其局部形貌，分析相关现象。１．４．２论文的研究方法（１）理论分析根据切削加工的基本原理，从理论上分析薄壁构件的结构特点、工件加工难点、９１绪论硕士论文薄壁构件加工变形原因、切削路径和夹具设计特点等。（２）数值模拟利用数值分析，模拟零件在加工时的变形。它主要包括以下步聚：加工过程模型的简化、有限元分析模型的建立，在ＡＮＳＹＳ软件中建立几何模型，划分网格，定义边界及施加载荷，求解和后处理等。（３）试验研究试验研究是最有效的研究方法，可以对理论分析和数值模拟的结果进行验证。本文的试验研究包括数控程序编制、试验方案设计、试验现象分析，并得出实用的切削加工方案。ｌＯ硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究２高速加工刀具轨迹的优化高速铣削是一种不同于传统加工的加工方式，与之相比，它主轴转速高、切削进给速度快、切削用量小、单位时间内的材料切除量增加３“倍。高速铣削在工件本身刚度不足（如薄壁件和细长杆件）、复杂曲面加工、难加工材料以及超精密切削等加工领域都得到了充分的应用。由于高速铣削要求切削载荷均匀，没有剧烈的变化，且加工过程中铣刀运动速度很快，因此要求光滑、平顺、稳定的刀位轨迹。为了使铣刀在不同切削方式下均能与被切削工件保持相对恒定的接触状态，避免切削角度和速度的突然变化，以达到高质量和高精度的零件表面，在加工时采用优化的走刀方式就是要考虑的重要方面。２．１刀轨切入方式的优化高速铣削时，刀具切入工件的方式，不仅影响加工质量，同时也直接关系到加工的安全。刀具以全切深和满进给速度切入工件将会缩短刀具寿命。通过较平缓地增加切削载荷，并保持连续的切削载荷，可以达到保护刀具的目的。确定刀具进刀方式时，应注意在切入工件时尽量采用沿轮廓的切向或斜向切入的方式缓慢切入工件，以保持刀具轨迹光顺平滑。斜线和螺旋式切入方式适用简单型腔的加工。加工表面质量和精度要求高的复杂型面时，采用沿曲面的切矢量方向的螺旋式进、退刀，这样刀具将不会在工件表面的进退刀处留下驻刀痕迹，从而获得较高的表面质量。２．１．１垂直进刀垂直进刀的方式首先需要在工件上钻一个孔，然后再用端刃加工。这种加工方式较直接，不需要太多的计算。但是，这种方法是由刀具直接向工件垂直插入加工，会产生极大的冲击力，对刀具提出了很高的要求。并且这种方法不容易排屑，产生的大量的热不容易发散，使得刀具、工件变形量加大。垂直进刀一般只能应用于具有垂直吃刀能力的两刃刀具，即键槽铣刀（其端部刀刃通过铣刀中心，因此具有垂直吃刀的能力）。然而，由于键槽铣刀只有两刃切削，加工时的平稳性较差，因此在大面积切削中的效率及被加工零件的表面粗糙度都不太理想。于是，加工型腔时，一般都会先采用键槽铣刀（或钻头）垂直进刀后，换多刃立铣刀加工，工序比较繁复。同时，这种方法也很容易对工件造成破坏。２．１．２步进进刀这是对垂直进刀方法的改进，采用了少量多次下刀的方法。从图２．１（ａ）中可以清楚的看到，铣刀是垂直切入工件材料，所以切入角口＝９０。，一次切削深度过大，２高速加工刀具轨迹的优化硕士论文为了减少对刀具轴向的冲击，采用了分刀次进给的垂直进刀方式，将总切削深度均分为丢ａ，，每次加工相同的深度，所．以切削载荷也随着切深的减少而减少。铣刀垂直进刀一大步切削工件，然后回退一小步，还有利于机加工的排屑，带走垂直加工时产生的大量的热。这种方法可以在一定程度上保护刀具和工件，减少工件变形。但是要耗费较多的时间，而且精度不容易保证。一￡Ｌ开始点（ａ）步进进刀（ｂ）斜线进刀一￡Ｌ开始点（ｃ）之形进刀（ｄ）螺旋进刀图２．１高速铣削的四种进刀方式【３３】２．１．３斜线进刀这种加工方式采用侧刃切削工件，如图２．１（ｂ）所示，加工时需要设定两个角度：ｘ—ｙ平面角度，从垂直方向看时，刀具移动轨迹与ｘ轴的夹角通常为零；与工件的夹角，即刀具切入加工面的角度。这个角度设置的时候，如果选取的太小，则刀具每次切入深度较浅，有利于保护刀具和工件。但是，这也会导致切入斜线增长，加工路线加长；反之，如果选取的角度太大，又会产生不希望的端刃切削的情况。假设采用螺旋齿铣刀，刀齿螺旋角为罗，根据斜向角度和铣刀刀齿旋向是否在～１２硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究个方向来考虑，如图２．２所示。当铣刀的轴线与工件表面法线方向平行即刀具垂直于工件被加工表面，切削角度乡＝９０。时，刀轨的倾斜角就为刀刃螺旋角夕，这也就是图２．２中①的情况。但当切削角臼≠９０。时，刀轨的倾斜角度就要发生变化了。这里首先确定刀齿为左旋方向。（１）当出现铣刀的轴线右偏于工件表面法线方向时（图２．２中②所示）即９０。一矽＞Ｏ，曰＜９０。，斜向角度与刀齿旋向相反时，由于铣刀不变则刀刃螺旋角∥不变，所以刀轨的倾斜角ｌ尼Ｉ＝０９０。一秒ｌ一俐；（２）当出现铣刀的轴线左偏于工件表面法线方向时（图２．２中③所示），即９０。一口＜Ｏ，乡＞９０。，斜向角度与刀齿旋向一致时，由于铣刀不变则刀刃螺旋角罗不变，所以刀轨的倾斜角ＩＰ２ｌ＝｜｜９０。一秒ｌ＋俐ｌ。如果刀具的旋向为右旋，则刀轨的倾斜角求法正好相反。所以在计算时，轴向切深应为ａ，’ａＰ／ｃｏｓ］罗ｉ或口，’ａ，／ｃｏｓ织，轴向铣削力则应为Ｅ＝Ｅ／ｓｉｎＯ［３４】。对于这种加工方式，存在着一个问题：刀具在加工过程中两侧的刀刃受力不对称，刀具容易发生颤振，对刀具的要求高。图２．２切削角度不同时刀轨螺旋角变化示意图２．１．４Ｚ形迸刀ｚ形进刀和斜向进刀的本质是一样的，这种方法是对于斜线进刀的一种改进，即把一步斜线进刀化为多步小斜线进刀，把斜线进刀的切削角度口减少到目７，从图２．１（ｃ）中可以看出，ｔａｎ８，－－ｈ，其中：ｄ为Ｚ字的宽度，ｈ为Ｚ字的一条轨迹的高度。ｄ］而ｔａｎ臼：孕，其中日为ｚ字形进刀的总高度，Ｈ：ｏ一１）．ｈ＋０．５ｈ：ｏ一０．５）．ｈ，其口中嚣为Ｚ字形刀轨段数。假设本节Ｚ字形刀轨共有４段，则Ｈ－－３．５ｈ，将劈代入上式得：ｔａｎｔ９＝２Ｈ／ｄ＝７ｈ／ｄ＝７ｔａｎＯ’，则秒’＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ９／７），取目＝７５。，则Ｚ字形１３２高速加工刀具轨迹的优化硕士论文进刀的０ｔ≈２８。＜９０。，如果刀齿为左旋，则符合图２．２中②的情况，余下的铣削力载荷的求解和斜向进刀的求法一样。虽然这种方法仍有刀具两侧刀刃受力不对称的问题，但每一步行程小，刀具变形也小，所以比斜线进刀方式要好。２．１．５螺旋迸刀螺旋进刀从工件上面开始，螺旋向下切入，如图２．３所示。，．为刀位点回转半径即螺旋线刀轨在ＸＹ平面内投影的半径，其大小可以根据进刀区域的形状和尺寸等因素决定。Ｐ为螺距，根据加工材料、进刀高度、切削深度，合理的选定尸。则螺旋进刀时的切入角０－－ａｒｃｔａｎ（卯秽），它由回转半径ｒ和螺距Ｐ决定。由于这种进刀方式采用了连续的进给加工，刀具切入角更小，大大提高了主轴切削的稳定性，可以比较容易的保证加工精度。利用较小的进刀量，刀具下降缓慢，极大地减小了偏刃切削的发生。而且，由于没有速度突变，可以用较高的速度进行加工。因此，螺旋进刀最适合型腔高速加工的需要，它所产生的切削力对刀具和工件的影响比其它进刀方式要小很多，具有切削速度连续，加工质量好，加工效率高等优点。所以高速加工时的进刀方式尽量采用螺旋进刀。图２．３螺旋进刀切入角示意图２．２环间移刀轨迹的优化对于型腔而言，刀具轨迹的生成方法主要为两个类型：行切法【３５】和环切法１３６１。其中环切法是型腔高速铣削普遍采用的一种方法，从几何学的角度可将环切分为三种：成对方法交集［３７１、Ｖｏｒｏｎｏｉ图法【３８１、图元法【３９４０１。相比行切法，环切法在加工复杂型腔模具时具有轨迹光滑平稳，铣削效率高，表面质量好的特点。但是加工中如何才能使得环间移刀轨迹连续、切削力平衡，这是研究的一个重点。针对目前型腔高速铣削加工中环间几种移刀轨迹进行了理论分析，选择出最优的移刀方法。１４硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究２．２．１环间直线（法向）过渡型腔高速铣削加工中的移刀是刀具在高进给速度时相邻刀具轨迹间有效过渡的连接方式，主要指行切中的行间移刀，环切中的环间移刀，等高加工的层间移刀等。在常见的ＣＡＭ软件中，默认的环间移刀方式是法向移刀。采用这种环间刀具轨迹过渡方法，刀具多是直接垂直于环间轨迹走刀方向，刀具轨迹中存在间断点，使得轨迹不连续，这就要求高速铣削在快速进给中不断地进行速度的调整，在间断点将进给速度调整为零，这将导致在刀具轨迹间不能快速进给，影响高速铣削加工质量和加工效率，因而应该尽量避免这种移刀方式。图２．４为刀具轨迹环间法向移刀示意图，妇表示行间距离。位置６到７表示环间法向移刀，位置６到７７表示环间直线移刀。图２．４．环间直线（法线）移刀其程序代码如下：Ｎ５０Ｎ５１Ｎ５２Ｎ５３Ｎ５４Ｎ５５Ｎ５６Ｇ０１Ｘ２０Ｘ４０Ｙ３０Ｙ０ＸＯＸ２０Ｙ６Ｙ０Ｚ０Ｆ１０００Ｍ０８’（位置１）（位置２）（位置３）（位置４）（位置５）（位置６）（位置７，取ｄｐ＝６）２．２．２环间一般圆弧移刀在常见的ＣＡＭ软件中，还有另外一种沿着圆弧轨迹的环间移刀方式。从当前轨迹环的切向过渡到下一个刀具轨迹环，也就是环间的圆弧过渡（切向）移刀。通常可以对圆弧过渡半径进行设置，其值为环间距大小的一半。当环间圆弧过渡半径继续增大时，环间刀具轨迹不连续。环间圆弧半径的计算如图２．５所示，其中Ｒ＝０．５ｄｐ。１５图２．５环间一般圆弧移刀其程序代码如下：Ｍ０８（位置１）（位置２）（位置３）（位置４）（位置５）（位置６）Ｎ５０Ｇ０１Ｘ２０Ｘ４０Ｙ３０Ｙ０Ｘ０Ｘ２０Ｙ０Ｚ０Ｆ１０００Ｎ５１Ｎ５２Ｎ５３Ｎ５４Ｎ５５Ｎ５６Ｇ０３Ｘ２３Ｙ３Ｒ３Ｇ０２Ｘ２６Ｙ６Ｒ３Ｎ５７（位置７，取妒６）２．２．３环间任意圆弧移刀在一般圆弧的过渡半径基础上，本论文提出了环间任意圆弧过渡的计算，通过调整环问公切线与刀具轨迹的夹角∥，可以得到所需要的环间移刀方式，过渡圆弧半径Ｒ计算方法如下：Ｒ：—竺塑争（２．１）２（ｓｍ鲁）２对应圆弧沿刀具轨迹环切向的长度￡为三：塑ｃｏｔ垒（２．２）图２．６环间沿着任意圆弧移刀１６硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究其程序代码如下：Ｍ０８Ｎ５０Ｎ５１Ｎ５２Ｎ５３Ｎ５４Ｎ５５Ｎ５７Ｇ０１Ｘ２０Ｘ４０Ｙ３０ＹＯＹＯＺ０Ｆ１００（位置１）（位置２）（位置３）（位置４）（位置５）Ｘ０Ｇ０３Ｇ０２Ｘ１１．２Ｙ３Ｙ６Ｒ２２．４Ｒ２２．４Ｘ２２．４（位置７，取ｄｐ＝６，∥＝３０。）根据公式（２．１）和（２．２）可知，夹角口越小，Ｒ和￡越大。但是，随着环切法的型腔轮廓向内逐步偏移时，偏移曲线长度在逐渐缩短，刀具轨迹环１的偏移轮廓环线比轨迹环２的长。当偏移轮廓到一定的时候，刀具轨迹线的长度可能小于２Ｌ，环间不能插入圆弧过渡，此时，要增大∥，缩短厶直到环间刀具轨迹过渡完全连接完所有的刀具轨迹环。显然上述环间任意圆弧移刀适用于型腔较大尺寸的情况，而∥＝４５。的较大圆弧移刀则解决了ＵＧ等软件圆弧过渡半径如果大于行间距离的一半，环间的移刀刀具轨迹不连续的情况。型腔轮廓从外向内逐渐偏移，除了型腔最后形成的一、两个刀具轨迹环可能长度不能满足较大圆弧过渡外，其余的刀具轨迹环均可以在环间依次插入较大圆弧，最后的一、两个轨迹的环间移刀可以通过减小过渡圆弧半径值来满足。２．２．４环间Ｂ样条曲线过渡移刀Ｂ样条曲纠４１４２】及其插补技术㈣解决了复杂曲面的数控加工中高进给问题，使得加工出来的曲线更加平滑，在整个数控加工过程中，数控系统具有更加智能和动态地调节编程进给速度的能力。样条插补技术大多用来加工样条曲线构成的曲线或曲面，高速铣削刀具轨迹环间亦可采用Ｂ样条曲线过渡。刀具沿着Ｂ样条曲线加工出来的曲线光滑，其曲线的形状和位置与坐标系的选取无关。因此，可以将Ｂ样条曲线运用于刀具轨迹的连接中，该方法通过调节样条曲线的起始和终止位置来控制曲线的长度。三勘×勿（其中伦２．Ｏ）（２．３）１７２高速加工刀具轨迹的优化硕士论文图２．７环问Ｂ样条曲线移刀其中石为曲线调整系数，通常为整数。当ｆ＇－－２时，环间移刀方式可能有最后一、二轨迹环间移刀不满足公式（２．３）的条件，其余的环间可以插入Ｂ样条曲线。Ｂ样条图２．８起点和终点相同时的Ｂ样条和圆弧对比Ｂ样条曲线移刀和圆弧移刀这两种环间移刀方式，如图２．８所示，在环间移刀过程中，将Ｂ样条曲线离散成一段段圆弧，对应的曲率半径值Ｒ，大于环间移刀圆弧半径飓，Ｂ样条曲线过渡更加平稳【删。２．３圆角处刀具轨迹的优化２．３．１圆角加工的现象分析对于薄壁零件的铣削加工，除了加工变形难以控制以外，圆角的加工问题也尤为显著。刀具在走圆弧的过程中，不同的进给速度、圆弧半径对切削力有很大的影响，切削速度产生的惯性对加工质量影响也很大。在圆角的加工中，刀具从直边切入圆角以后，在圆角处存在明显的切削力超值突变现象。切削力的超值突变不仅造成了刀具和工件的加工变形增大，形成欠切；严重的时候还会形成拉刀——由于切削力的剧增而将刀具拉下一段距离，造成圆角处的过切现象；伴随着拉刀现象的发生，还会在圆角处产生切削振动，留下明显的振纹。其不仅严重地影响了零件的加工质量，降低了刀具使用寿命，而且增加了生产成本和降低了生产效率。２．３．２圆角问题的一般方法关于圆角处的铣削加工方法，目前国内的一些研究机构主要是通过多次的更换刀１８硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究具的方法来实现，称之为靠刀法。如图２．９（ａ）所示，对于圆角（尺６）的精加工，首先采用廖，２０ｍｍ的刚性较好的刀具将侧壁、腹板加工到最终尺寸，然后再依次更换刀具直径：由‘／，２０ｍｍ的刀具路径ｌ到面＇１６ｍｍ的刀具路径２，再到０１２ｍｍ的刀具路径３，分别加工圆角处。０１６ｒａｍ的刀具去除区域１的材料，瘘，１２ｍｍ的刀具去除区域２的材料，这个方法的目的是先通过一些刚性较好的大直径刀具去除大部分的金属材料，留给刚性较弱刀具加工的部分仅仅是圆角处较小的部分，避免了直接采用细长刀具在大切削用量情况下发生加工变形和切削振动现象。但频繁地更换刀具和对刀会极大地降低加工效率，而且在实际加工中当两次刀具直径相差较大时，有时仍然会出现明显的拉刀或振纹，影响加工质量。（ａ）靠刀法（ｂ）留余量行切法图２．９圆角加工的走刀路径示意图除了使用传统的靠刀法外，还有另外一种圆角的加工方法。如图２．９（ｂ）所示，对于圆角（尺６）的精加工，先使用西１６ｍｍ的刀具从两侧沿路径１、２切入圆角，在圆角处留有一定的切削余量，然后换用硒，１２ｍｍ的刀具沿着路径３以行切的方式去除圆角处的加工余量。该加工方法加工圆角，虽然不会出现所谓的拉刀和振纹，但是从走刀路径上看可知其数控程序较大，加工效率低。２．３．３细化圆角走刀路径上面所述的圆角／ｊｎ－ｒ方法虽然在一定程度上解决了薄壁件圆角的加工问题，但并不能从根本上解决圆角加工的质量控制和加工效率问题。简单而有效的方法是对刀具路径进行优化，优化的结果即是细化圆角走刀路径。细化薄壁件圆角的方法，其思路就是在走刀过程中，保持刀具切削夹角的恒定，或者附加走刀路径，以减小刀具在圆角处的切削面积。切削力的大小主要由刀具与工件的接触面积即切削面积决定，所以，保持切削夹角恒定，就是保持切削面积恒定，从而避免切削力的突变。１９２高速加工刀具轨迹的优化硕士论文图２．１０切削夹角圆角细化的方法可以分为大圆角和小圆焦两种情况。对于较大圆角的加工，可采用等切削夹角的圆角加工方法。如图２．１０所示，刀具沿直线铣削时的切削夹角为圆弧ＡＢ所对应的角ＱＪ，沿圆弧铣削时的切削夹角为圆弧ＣＤ所对应的角Ｑ２。若使切１削夹角Ｑ２Ｉ－－Ｑ，则可求出径向切深￡Ｊ与厶的对应关系：去最＋（足一ｒ）４一础＝０，Ｚ当知道Ｌｆ、Ｒ、，的值后，就可以确定幻的大小。这种方法主要用于小直径刀具加工较大圆角的情况。因为这样可以保证刀具在圆角处有较长的等径向切深走刀路径，而从直线走刀到圆弧走刀的过渡区域相对短，可以用直线近似，如图２．１ｌ所示。图２．１Ｉ等切削夹角刀具轨迹示意图对于小圆角的加工，刀具在圆角处的等径向切深走刀路径相对较短，而从直线走刀到圆弧走刀的过渡区域则相对较大，直线近似己不再有效。对于薄壁件来说其型腔经常较深而圆角较小，为了保证刀具刚性，必须采用与圆角相同半径的刀具，则不可避免的会使刀具在圆角处走直角。为了避免在小圆角的切削力突变而引起加工质量的２０硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究降低，必须从附加走刀路径方面考虑。因此，在铣削航空薄壁件圆角时，以径向切削深度的变化为细化依据，制定了一次细化和二次细化‘４５１。（ａ）一次细化走刀轨迹（ｂ）二次细化走刀轨迹图２．１２附加走刀路径示意图一次细化：Ｒ。ｌ＝厶一／２（－１）＋Ｒｏ二次细化：见ｌ＝２／－，２一／３（－１）＋ＲＲ０２＝厶一／３（一１）＋Ｒ其中￡２一为刀具在圆角处的最大径向切深，尺Ｄ为前一次走刀后的圆角半径，Ｒ４１、Ｒ以为细化后的圆角处的刀具中心轨迹半径。具体的路径细化如图２．１１所示。这样不仅可以解决欠切、过切等问题，提高工件的加工精度，而且可以增加刀具的使用寿命，降低生产成本，提高生产效率。当然，如何将圆角细化方案嵌入到目前常用的ＣＡＭ模块之内还以待于解决。２．４平面铣削刀轨的优化平面铣削是控制加工工件高度的加工操作。在大多数应用中，平面铣削是相对比较简单的操作，没有复杂的轮廓运动。平面铣削使用的刀具通常是多齿刀具，称为平面铣刀，各种平面铣刀的形状及名义直径如图２．１３所示。尽管平面铣削操作也使用立铣刀，但通常只是在小面积范围内，平面铣刀加工的工件上表面垂直于它的轴线。在数控编程中，为了使加工出的工件表面质量更加优秀，就需要使刀具轨迹更加合理，可以从以下几个方面考虑：（１）刀具直径的选择；（２）刀具相对于工件的初始位置２１２高速加工刀具轨迹的优化硕士论文（３）切削方式的选择图２．１３各种平面铣刀的名义直径２．４．１刀具的选择与所有的铣削操作一样，平面铣削时刀具旋转而工件静止。平面铣削需要指定工件表面所切除材料的确切数量，以及需要一次切削还是多次切削。平面铣削的编程很简单，因此很多人并不注意选择合适的平面铣刀以及正确的镶刀片，有时甚至不考虑机床的要求和性能。典型的平面铣刀为具有可换的硬质合金镶刀片的刀齿刀具。在数控加工中不推荐使用高速钢平面铣刀，尽管高速钢立铣刀很适合铣削小平面或用其他方法很难进入的平面。平面铣削操作中并不是所有的镶刀片都同时参与加工，每一镶刀片只在主轴旋转一周内的部分时间中参与工作，这对确定刀具最适宜的寿命时非常重要。平面铣刀最重要的一点就是刀具尺寸的选择。对于单次平面铣削，平面铣刀最理想的宽度应为材料宽度的１．３～１．６倍。１．３～１．６倍的比例可以保证切屑较好的形成和排出，图２．１４所示为平面铣削中正确和不正确的刀具直径与工件宽度之间的关系。对于多次平面铣削，通常选择最大直径的刀具，同时需要考虑机床功率等级、刀具和镶刀片几何尺寸、安装刚度、每次切深的深度和宽度以及其他加工因素。（ａ）期望得到的结果（ｂ）不期望发生的情形（ｃ）不期望发生的情形图２．１４刀具直径与工件宽度的关系２．４．２刀具相对于工件的初始位置平面铣刀在切削运动时，要清楚在不同条件下刀具如何才能达到最佳工作状态。平面铣削数控编程中还要重点考虑到铣刀的切入角。平面铣刀的切入角由刀具中心线硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究相对于工件边缘的位置决定。如果工件只需一次切削，应该避免刀具中心线与工件中心线的重合。这一中性位置会引起颤振且加工质量较差，这时无论使用负的或正的刀具切入角，都需要将刀具偏离工件中心线。图２．１５所示为两种类型的切入角及它们的作用。正切入角负切入（ａ）在强度最大点切入（负切入角）（ｂ）在强度最小的点切入（正切入角）图２．１５切削切入角如果切入角为正，那么强度较小的切削刃部分将承受大部分的力。因为镶刀片刃是刀片上强度最小的地方，所以正切入角可能会使刀具破损。因此，通常不推荐使用正切入角。使用负切入角时，镶刀片中强度最大的点承受切削力，从而可延长镶刀片寿命，因此是首选的方法。通常应该让平面铣刀的大部分在工件区域内，这样就可以确保切入角为负【４６１。２．４．３铣削方式在铣削方式中，相对于工作台的切削运动方向很重要。铣削操作中有三种铣削方式：对称铣削、逆铣方式、顺铣方式。对称铣方式中，刀具沿工件表面的中心线运动。顺铣方式中刀具在中心线一侧，而逆铣方式中在中心线的另一侧。逆铣时，每个刀齿的切削厚度由零增至最大。但切削刃并非绝对锋利，刀齿刚接触工件的一段距离，并不能切入工件，而是在工件表面上拉压滑行，因而造成冷硬变质层；下一个刀齿在前一刀齿留下的拉压冷硬层上滑过，又使铣刀刀齿磨损加剧，使刀具使用寿命低，加工表面质量差。顺铣时则相反，切入时的切削厚度最大，然后逐渐减小到零，从而避免了刀齿在已加工表面冷硬层上滑行的过程，提高了刀具使用寿命，已加工表面质量较好【４７１。尽管所有铣削的原则完全一样，但顺铣和逆铣在圆周铣削中的应用要比平面铣削中的应用更为常见。对于大多数的平面铣削，顺铣仍是最好的原则。日刀具移动方向刀具移动方向＿．＿—一．．－—一●－—一日刀具移动方向（ａ）对称切削（ｂ）顺铣图２．１６平面铣削方式（ｃ）逆铣２高速加工刀具轨迹的优化硕士论文２．５本章小结本章介绍了在高速加工薄壁构件中铣削加工的切入方式的优化，通过对比垂直进刀、步进进刀、斜线进刀、ｚ形进刀、螺旋进刀，得出了螺旋进刀最适合型腔高速铣削加工，它采用了连续加工的方式，比较容易保证精度，具有加工质量好，加工效率高等优点。分析了不同圆弧的环问移刀方式，其中Ｂ样条曲线过渡移刀方式最光滑、最平稳。对于圆角加工的刀具轨迹优化，优化的最好方式即是细化圆角走刀路径。分析了平面铣削刀轨的优化。只有深入了解各种不同的加工方式，掌握数控铣削的各种走刀方式和进刀方式，才能使数控铣削加工技术在生产当中得以更深入的应用，满足高精度加工的需要。２４《±论文铝台金复杂薄壁构件高速加工工艺研究３铝合金典型薄壁结构的加工薄壁件也称为薄壳零件，通常是指零件的壁厚与其径向或轴向尺寸比较相差悬殊，一般为几十倍或上百倍咀上。其主要结构包括侧壁、腹板、凸台、槽腔、通孔、缘条等，外形协调要求高，零件外轮廓尺寸相对截面尺寸较大，且多数厚度可变、壁薄，尺寸较大，加工余量大、相对刚度较低，故加工工艺性差。在切削力、切削热、切削颤振等因素影响下，易发生加工变形，不易控制加工精度和提高加工效率。加工变形和加工效率问题成为薄壁结构加工的主要约束。图３１为影响薄壁构件加工精度的主要因素．各影响因素不是单独作用，而是互相影响，各影响因素的变形误差累积，致使加工出的零件超差。列加工变形情况进行预测和控制成为保证薄壁零件加工质量的关键。幽３１影响薄壁零件加工变形的主要因素阵面骨架上分布着大量的侧壁、腹板等薄壁结构，如图３２所示，工件的反面型腔内分布着ｏ５和０８相互交织的侧壁，而腹板都只有０５ｎｍｌ厚。它们是最难保证加１。精度的地方，而影响加工精度的最大因素是其加工变形，所以如何控制加工变形一直以来都备受人们的关注。阁３．２阵面骨架上的薄壁结构３铝合金典型薄壁结构的加Ｉ碰±论文３．１典型薄壁结构的高速加工３．１．１侧壁的铣削加工高速切削技术加工薄壁零件的关键在于切削过程的稳定性。大量的实验研究证明，随着零件壁厚的降低，零件的刚性降低，加工变形增大，容易发生切削颤振，影响零件的加工质量和效率。为了解决该问题，在切削过程中要以采用较大的径向切深和较小的轴向切深，尽可能的保持工件的整体刚性，使切削过程处在剐性较佳的状态。如图３．３所示，对于侧壁的铣削加工，在切削用量允许范围内，采用太径向切深、小轴向切深分层铣削加工，充分利用零件的整体刚性。为了防止刀具对侧壁的干涉，可以选用或设计特殊形状铣刀，以降低刀具对工件变形的影响和干扰【竭。。翰岛图３．３侧壁加工示意圈由于铣削力的作用，工件的侧壁会产生“让刀”变形，因此，应用一个立铣刀很难实现薄壁零件的高精度加工。常规的小进给量和低切深的方法虽然可以满足一定的加工精度，但是效率比较低。文献［５３］提出了一种更为实用、有效的加工侧壁的方式。为了使加工后的残余应力分布更加均匀、合理，减小因此引发的变形，可以采用分层对称铣削加工。如图３Ａ所示，数字表示加工路径的顺序，加工路径采用１—２—３—４……的顺序，可以最大限度的使应力均匀分布，又能充分利用薄壁的整体刚性，进而达到减少变形的目的。这种方式不仅能从应力的角度来减小变形，而且从实际加工的角度来看，它不失为一种简单而实用的方法。图３４侧壁分层对称铣削加工示意圈硕士论文铝ｅ☆复杂薄壁构件高速加工工艺研究３．１．２腹板的铣削加工对于薄壁结构的腹板或较大的薄板加工，关键问题就是要解决由于装夹力或切削力引起的加工变形。充分利用工件整体刚性的切削方案应用于腹板的铣削加工中．改变轴向切深和径向切深数值的比例，即在加工过程中主要采用较人的轴向切深和较小的径向切深，可使切削过程处在刚性较佳的状态。不同走刀路径必然会对腹板的加工变形产生影响，因为走刀路径的不同，会直接导致切削某点时受力太小与刚度的不同。即对同一腹板的同一点，随着走刀路径的不同．该点所受的切削力以及它的己加工区域和未加工区域的刚度差是不同的，相应地，变形也会有差异，对走刀路径进行优化可以最大限度地减小加工变形。各种不同的走刀方式如图３５所示。根据有限元的数值模拟结果，环切法所产生的加工变形晟小唧１。量幽（２）双向行切（３）环切（１）单向行切幽３．５不同走刀路径的对比所以对于一个带有腹板的矩形框体薄壁零件的加工，铣刀最好从框体中间位置下刀，在深度方向铣到晟终尺寸，然后一次走刀由中间向四周环切至侧壁。这种方法有效的减少了切削变形及其影响，避免了由于刚度降低而可能发生切削颤振，零件的质量和加工效率也有了显著提高。如果刀具一次铣到最终尺寸的切深远远大于刀具所能承受的最太轴向切深时，就需要分层铣削加工。对此，可以使用分区域环切的方法束加工，即把一个框体分成几个小框体，每个小框体采用层优先的加工方式，先加工区域１，再加工区域２，直到加工完所有的框体，如图３６所示。这样的加工方式充分利用工件未加工区域提高了框体整体刚度，同时避免了刀具一次切深太大可能引起的刀具破损现象。陶３．６分区域环切３铝台盘彝型薄壁结构白钉加Ｔ砸±论文利用低熔点合金辅助切削方案可以有效解决薄板的加工变形问题。将低熔点合金浇注入薄壁结构型腔，填补型腔空间，可大大提高工件的刚度，有效抑ＮＴ自ｎＩ变形，在精铣时可以实现更小尺寸的薄壁加工。３．２典型薄壁结构的有限元模拟３．２．１有限元模型的建立本论文采用的有限元软件为ＡＮＳＹＳ，典型薄壁结构的有限元模型是三维实体模型，如图３．７所示。为了准确分析工件切削加工时的受力过程．本论文利用ＡＮＳＹＳ中的ＡＰＤＬ语言进行编程模拟。ＡＰＤＬ语言是一门可用来自动完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言。它扩展了传统有限元分析的范围，并扩展了更高级运算包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改和设计优化等口“。利用ＡＰＤＬ语言，可以轻易的实现移动载荷自动施加的循环过程，除去了手动一次一次的反复加载，而且修改也及为方便，减少了大量的重复工作，节省了大量的时间。利用有限元模拟铣削加工过程时，切削力如何加载到有限元模型上是一个很关键的问题。铣削加工是一个非常复杂的过程，同时伴有进给运动和旋转运动。目前计算机还无法真实再现实际加工中刀具旋转、进给的复合运动，即实现材料的真实去除过程。铣削加工过程中，铣刀与被切削材料之间的相互作用，可以通过某一瞬时静力的形式来表示。当刀具进给到某一位置时，铣刀的刀齿所施加的力可离散为线载荷（或者面载荷）对工件的作用，按静力等效原则将载荷“直观地”分配到各个节点上。通过动态地给“去除”材料所在的单元加载、卸载的方法来求解工件的受力变形量。当运动载荷走完所有需要去除的单元时，就意味着铣削加工过程的结束。因此将加工过程中对应的铣削力作为有限元模拟的外载荷动态地施加在需击除的单元上，就可以实现铣削过程的力学模拟。（ａ）侧壁的有限元模型（ｂ）腹板的有限元模型图３７典型薄壁结构有限元模型（１）几何模型的建立硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究侧壁有限元模型如图３．７（ａ）所示，薄壁为长４０ｍｍ、高ｌＯｍｍ、厚０．３ｍｍ的铝合金（ＬＹｌ２），采用实体单元ｓｏｌｉｄ４５，设置单元尺寸为ｌｍｍｘｌｍｍｘＯ．３ｍｍ。切削参数采用转速１００００ｒ／ｍｉｎ，每齿进给量为０．０５ｉ／ｌｎｌ，切深为ｌｍｍ。腹板有限元模型如图３．７（ｂ）所示，把腹板简化为平面结构，腹板的厚度利用壳单元的常数设置。平面长４０ｍｍ、宽４０ｍｍ，采用壳单元ｓｈｅｌｌ６３，设置单元尺寸为２ｍｍｘ２ｍｍ，壳单元的厚度为３．５ｍｍ，这样把平面分成了４００个单元。为了更加逼真的模拟腹板切削厚度的变化过程，在有限元求解过程中每一移动载荷加载在某一单元上时，这个单元的厚度变为０．５ｍｍ，即把壳单元的实常数修改为０．５ｍｍ。以此类推，当加工完时，所有的壳单元的实常数都为０．５ｍｍ。切削参数采用转速１００００ｒ／ｍｉｎ，每齿进给量为０．０５ｎｌＩｎ，切深为３ｍｍ。（２）定义属性与网格划分工件的材料为变形铝合金中的硬铝合金ＬＦ２１。材料常量分别为：弹性模量Ｅ＝７１ＧＰａ，泊松比∥＝Ｏ．３３，密度ｐ＝２７５０ｋ∥ｍ３。本课题假设夹具和刀具都是刚性的，只有工件发生变形，只考虑工件由于发生弹性变形引起的加工误差，不考虑材料的塑性变形。划分网格时把侧壁的单元划分为标准的四方体形，这样有利于求解的精确性，腹板采用映射方式把它平均分成４００个单元。（３）约束与载荷施加奠：蠢Ｅ＝２０７．６匕０．０５３２ｒ．１２７３口０。胛＂，Ｃ＝２８１３ｐ１３０６ｒ舶６４口：Ｊ４７５，Ｆ＝２８．４ｙ。ｏ。３４８７．ｒ’４６１０口：：．３１０４，根据上式公式计算侧壁和腹板在加工过程中沿着刀具切削方向所受的各分力。在进行侧壁加工过程受力变形计算模拟时，侧壁的两端施加固定住（假设同薄壁两端连接处刚度足够强）的边界约束条件，在进给方向上对需去除单元施加垂直于侧壁的移动载荷。在进行腹板受力变形模拟时，腹板的四周施加固定住（假设同腹板四周相连接处刚度足够强）的边界约束条件，模拟时在每个单元上依次施加移动载荷并计算，总共循环４００次。（４）进行求解求解的过程是计算机计算加工变形的过程，载荷每移动一次，计算机求解一次，求解后侧壁上的结点位移结果保存于文件中。（５）观察结果进入后处理，观察工件沿着Ｘ轴和Ｙ轴方向的加工变形情况，分析其变形特点，并导出变形图像。３铝台盒典型薄壁结构的加工硕±论文３．２．２有限元模拟结果分析３，２．２．１侧壁的模拟结果分析本论文对侧壁在三种不同的加工情况下进行模拟，分别为侧壁的两端都固定、一端固定和两端都不固定。下面就对侧壁在这三种加工情况下的模拟结果进行描述和分析，侧壁铣削示意图如图３．８所示。首先对侧壁两端固定的模拟结果进行描述和分析，其结果如图３．９所示。图３，８侧擘铣削示意幽：：ｌ酸“：（ａ）不同高度Ｘ方向变形曲线（ｂ）不同进给位置Ｙ方向变形曲线图３．９侧壁两端固定的加工变形模拟结果图３．９（ａ）为薄壁距离底面不同高度时沿着ｘ向的相应的变形曲线。从图中可以知道，在加工过程中薄壁的底部变形最小，越往上，变形量越大，到达顶端ｙ＝ｌＯｍｍ时，其变形达到虽大。因为底端处与腹板相连，刚度较好，所以变形较小。越往上。刚度越差，变形就越大。图３．９（ｂ）为不同进给位置时Ｙ方向的变形曲线。由于两端固定，所以在ｘ＝Ｏ处变形基本为０，随着刀具往前进给，侧壁的变形量也随着变太，在ｘ＝２０ｍｍ处达到最大值。由于侧壁两端的约束条件相同，因此工件的刚度是关于中心平面对称的，于是得出其变形量关于ｘ－２０ｍｍ的平面对称。由图３．９（ａ）和（ｂ）可知，工件在点（２０，１０）处的变形量达到最大，为７２ｍ３ａ。在加工过程中，工件中间刚度最弱，变形量最大，吃刀深度最浅，加工完成后薄壁的实际形状为两端薄中间厚，底端薄顶部厚。硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究其次对于侧壁一端固定的情况进行描述和分析，其结果如图３．１０所示。侧壁变形量随着ｘ方向依次增大，这是因为侧壁的一端固定，刚性好，越往中间越差，到了另一端，没有固定，刚性最差，两端约束条件不一样，其变形就不关于ｘ＝２０ｍｍ对称。ｊｌ／／ｌ瓷｜／７／一一一Ｉ‘Ｚ—ｒ／。≯乱仉仉叽Ｄ∥丝≯｛Ｆ５Ｆ培埔Ｍ．：惦们Ｍ┃┃菇攀ｌ┃＿．侧壁沿，｜向坐标（－┃匕关┃．七釜雾簪羔一二ｉ（ａ）不同高度ｘ方向变形（ｂ）不同进给位置Ｙ方向变形图３．１０侧壁一端固定的加工变形模拟最后对侧壁两端都不固定的情况进行描述和分析，其结果如图３．１１所示。中可以看出侧壁的变形趋势大致呈抛物线形式，最大变形量处在最左和最右边，明侧壁两端的刚性最差，越往中间刚性相对越好。由于侧壁两端的约束条件相同以其变形关于ｘ＝２０ｍｍ的位置对┃┃～｛－．，。８一ｙ；６胍．┃一／二—┃二Ｖ┃．．┃，声┃／┃劳ｘ＝┃一。Ｃ≥┃＼┃、铲ｎ┃茹彳侧壁沿ｙ向坐标ａｕ（ａ）不同高度ｘ方向变形（ｂ）不同进给位置Ｙ方向变形图３．１１侧壁两端都不固定的加工变形模拟从上面对侧壁三种情况下加工变形模拟结果的分析，可以得出如下结论：中置点（２０，１０）处的变形量都是７２１ｘｍ左右，这说明对于所要加工的长４０ｍｍ的侧中间变形量大小与两端的约束关系不是很大，主要与工件自身的刚性有关，而两形量大小则取决于两端的约束条件，因此建议加工侧壁时工件两端都需固３．２．２．２腹板的模拟结果本论文仅对腹板在四周都固定的约束条件下进行模拟和分析，这是由于腹板３铝合盘典型薄壁结构的加工硕士论文数都是在这种情况下加工，具有一定的代表性，其模拟结果如图３１２所示。腹板的四周都固定，约束条件关于Ｘ轴和Ｙ轴对称，所以变形量也是关于Ｘ轴和Ｙ轴对称。从图中可知，腹板的每行变形量沿着Ｘ向从第１点向第４０点都是先增大后减少，中间部位变形量最大。各行变形的趋势都是从第ｌ行逐渐增大到第２０行，接着又逐渐减小至第４０行，这是因为腹板的四周固定，靠近四周的部位刚度大，加工变形就小，越向中间，约束越小，刚度也越小，所以加工变形逐渐增大。』－ｆ孤哮咚忒ｊ十一———Ｌ一／ｍ‘ｔ、『ｆＬ／／”１９｝．雹吐、、Ⅶ一ｊ■“擎戳■ｇⅪｏ自㈨图３１２各行沿ｘ方向变形曲线３．３侧壁的试验验证３．３．１试验设各及仪器本次试验所用到的设备及仪器如表３１所示。表３１试验设备及仪器编号名称型号１铣削加工中心ⅧＣＬ６００２万能工具显微镜１９ＪＡ３刀具图３１３万能工具显微镜硕士论文铝旨金复杂薄壁构件高速加ＩＴ艺研究３．３．２试验参数及方案影响侧壁加工变形的主要因素有加工方式的选择（如顺铣、逆铣、层优先、深度优先）、轴向切深的大小、径向切深的大小等。为了对比各种不同的加工方式，设计了如下的试验方案，如表３２所示。试验方案１、２的侧壁两端是没有固定的，试验方案３、４、５、６的侧壁两端与工件相连，作用类似固定两端，如图３１４所示。试验方案１和２是用来对比轴向切深的影响，试验方案３和４是用来对比顺铣时，层优先和深度优先的影响；试验方案５和６是用来对比逆铣时，层优先和深度优先的影响；试验方案３和５是用来对比层优先时，顺铣、逆铣的影响；试验方案４和６是用来对比深度优先时，顺铣和逆铣的影响。表３．２试验方案试验编号加工方式丰轴转速（ｒ／ｒａｉｎ）轴向切深如（ｍｍ）径向切深ａ，（ｍｍ）每齿进给量顺铣、层优先顺铣、层优先顺铣、层优先顺铣、深度优先逆铣、层优先逆铣、深度优先≮露图３１４侧壁的两种结构３．３．３试验结果铣削加工完的侧壁样件如图３】５所示。利用图３１３所示的万能工具显微镜以测得侧壁厚度的变化情况阻及侧壁的弯曲情况。测量得出的数据如表３３所示件２的侧壁变形很严重，无法验证加工变形结果，只列出样件１、３、４的数据。可样３铝台金冉型薄壁结构的加工硬±论文图３１５倒壁样件表３．３样件一、三、四的女Ｉ量数据样件测量数据Ａ（Ｉｒｍａ）Ⅻ４量数据Ｂ壁厚Ａ．Ｂ（ｒａｍ）（ｍｍ）Ｘ向坐标（一）００３６（一）７９６８３００２６０３０３７９９５２００３４０２９５７９９７２Ｏ０２２７９６７８００４６０２８８壁厚Ａ．Ｂ００００Ｘ向坐标０３０２—００６ｌ７９０８９—００３８７９１０Ｉ硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究Ａ４７９．２７０７９．２７８７９．２４３７９．２３９７９．１９５７９．２０８７９．２５０７９．２７４Ｃ＝Ａ．７９．２２０００．００８—０．０２７一Ｏ．０３ｌ—０．０７５—０．０６２—０．０２００．００４Ｂ７８．９９６７８．９５７８．９２５７８．９０３７８．８７８７８．８８６７８．９３５７８．９９８Ｄ－Ｂ．７８．９９６０—０．０４６—０．０７１—０．０９３—０．１１８—０．１１０—０．０６１０．００２壁厚Ａ．Ｂ０．２７４０．３２８Ｏ．３１８０．３３６０．３１７０．３２２０．３１５０．２７６Ｘ向坐标５１０１５２０２５３０３５４０利用万能工具显微镜测量出的原始数据为上表的Ａ列和Ｂ列，壁厚由Ａ列数值减去Ｂ列得到，可知厚度都在０．３ｍｍ左右波动。为了得到壁的变形情况，在Ａ列和Ｂ列各减去该列中一个基数，该基数一般取变形最小点的原始数据，得到表中的Ｃ列和Ｄ列。把Ｃ列和Ｄ列的数值放大１００倍，并在坐标轴上沿着Ｘ方向相应地标注出这些点。利用曲线拟合这些点，就可以得出侧壁的加工变形情况，如图３．１６所示。样件１的侧壁加工变形如图（ａ）所示，可以看出壁在Ｘ为２０左右的加工变形最小，越到两端，侧壁弯的越厉害。这符合有限元模拟的结果，由于两端没有固定，刚性差，所以变形也大。样件３、４的侧壁加工变形如图（ｂ）（ｃ）所示，左右两端与工件相连，在连接处存在着刀具加工圆角，所以从Ｘ＝５ｍｍ处开始测量数据。从图中可知，越往中间侧壁弯曲的越厉害，这是由于中间位置的刚性比两端的差。Ｘ０５ｌＯ１５２０２５３０３５４０４５５０（ａ）样件１的侧壁７９．１２７－７８．８２０ＸＯ５１０１５２０２５３０３５４０４５５０（ｂ）样件３的侧壁３５３铝合金典型薄壁结构的加工硕士论文７９．２２０７８．９９８Ｘ０５１０１５２０２５３０３５４０４５５０（ｃ）样件４的侧壁图３．１６侧壁变形示意图通过加工质量对比可知，样件１比样件２好，样件２的侧壁一端已经产生了较大的加工变形，说明铣削侧壁时轴向切深应该尽量选取的小些。样件３的侧壁厚度范围为０．３０１－０．３１３ｒａｍ，加工变形最大值为６７１ｘｍ，样件４的侧壁厚度变化范围为０．２７４－－－０．３３６ｍｍ，加工变形最大值为１１８／．ｔｉｎ。从结果可知，样件３的厚度变化范围和加工变形最大值都比样件４的要小，样件３的加工质量明显优于样件４，说明在加工方式的选择上，层优先的加工方式加工出的侧壁比深度优先加工出的侧壁变形小，加工质量也要好。样件５和６的侧壁都是逆铣方式加工的，在刀具移出工件表面时，产生的切屑留在了侧壁上，如图３．１５右上角所示，可以看出逆铣方式比顺铣方式的加工质量差，所以不推荐使用逆铣加工。产生这种情况的原因是由于逆铣时刀具的刀刃是从材料内向外旋转切削，最后移出工件表面，使得切屑留在了边缘，而顺铣是刀具由外向内切削，从工件表面切入，不会产生类似的切屑。综上所述，对于侧壁的铣削加工，为了得到最佳的效果，应该选择层优先和顺铣的加工方式。对于轴向切深的选择，应该在考虑到效率的情况下尽量选择小轴向切深，径向切深量可以适当的大些。３．４本章小结本章介绍了典型薄壁结构如侧壁和腹板的加工变形控制方法，对于侧壁的切削加工，采用分层对称铣削是较为合理的方式。对于腹板的切削加工，从框体中间位置下刀，在深度方向铣到最终尺寸，然后一次走刀由中间向四周环切至侧壁；或者分区域环切到侧壁。通过一定的简化和假设，利用ＡＮＳＹＳ软件模拟了侧壁和腹板的加工变形示意图，最后设计了侧壁的铣削加工试验方案，在高速机床上进行了试验验证，加工出的工件变形符合预测的变形规律。３６硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工工艺研究４铝合金阵面骨架的工艺分析零件的可加工性与零件的材料特性和结构特点密切相关，是决定采用何种加工方式和以什么样的切削参数进行加工的关键因素。因此本章欲对要研究的工件进行加工工艺分析，包括整体加工路径优化、编制加工工艺规程、生成数控加工程序等。零件加工工艺分析是后续薄壁件加工试验研究以及最终进行大规模批量生产的理论基础。４．１材料特性铝的表面具有高度的反射性，能有效地反射可见光、辐射能、辐射热和电磁波。在特制的高纯铝表面的光反射率高达９５％。铝反射红外线或热射线的能力优于其它金属，因此常用于制造雷达结构件【５７１。本课题研究的阵面骨架材料是变形铝合金（又称加工铝合金）中的防锈铝合金ＬＦ２１，属于软铝。俄罗斯亦采用这种材料制造天线，着眼点是其硬度和可加工性适中，加工应力变形和焊接变形小，可焊性好【５８１。ＬＦ２１的化学成分见表４．１，物理性能见表４．２。表４．１ＬＦ２１的化学成分与切削加工关系比较密切的物理特性如表４．２所示，从表中可看出，该材料的特点是比强度高、塑性好，热导率大，切削性能良好，但由于刚度低，线膨胀系数大，因此由该种材料制成的薄壁件在加工时受热、受力易产生变形。表４．２ＬＦ２１的物理性能抗拉强度（ＭＰａ）１３０屈服强度（Ｎ田ａ）５０硬度ＨＢ３００热导率线膨胀系数（１／ｋ）２２．７×１０－６弹性模量（ＧＰａ）７１（Ｗ／（ｍ·℃））１９３ＬＦ２１是应用最广的一种防锈铝，锰元素既能提高合金的力学性能又不使合金的抗蚀性下降。向铝一锰合金中添加少量的铜，有利于提高合金的抗腐蚀性，使其由点腐蚀变成全面的均匀腐蚀。锰还可以减少含铁相的脆化作用，即可使针状或片状的含铁的化合物变成脆性较低的块状化合物【５９１。这种合金的强度不高，在退火状态下有高的塑性，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，耐腐蚀性好，焊接性良好，可切削性能良好。３７４铝合金阵面骨架的工艺升析硕士论文４．２结构特点由于波导器件的功能及所处雷达中的位置，使其结构具有以下的特点【舟删：（１）结构复杂一个零件常有上百个尺寸，甚至上千个尺寸，最多的达到４０００多个尺寸需要保证。结构中常有异型内腔及耦合槽，还有根据工艺要求布置的系列圆弧和直线的窄槽，这些特征构成的结构形状十分复杂。（２）构件壁薄一般壁厚在ｌｍｍ左右，个别的小于０．５ｍｍ，加工时极易变形，常规速度加工难以保证加工质量。（３）加工量大许多零件的重量常常只有毛坯重量的１０ｎ／∥２０％。切削时会产生大量的热，易使零件热变形。（４）精度较高许多零件的尺寸精度达Ｎ±ｌｇｍ，形位精度高的达到８“ｍ，腔体类零件表面粗糙度达到月４（０４９ｍ。由此可见，波导器件非常适合于使用高速铣削来加工。而在发达国家，研究早．应用最普遍的也正是铝台金的高速切削。图４．３是用ＵＧ绘制的阵面骨架三维视图。图４．４、图４５是阵面骨架的二维视图。从图中可以看出它是平板型薄壁结构件，外形结构尺寸为２６９ｍｍｘ８０ｍｍｘ４５ｍｍ，正反两面分布型腔，深度２ｍｍ，且结构不同：正面（见图４４）为薄壁框体多腔结构，薄壁厚度多为１．５ｍｍ，４处壁厚仅为ｏ５ｒａｍ，壁与壁之间的最小间距仅为ｌｍｍ；反面（见图４５）为多筋槽腔结构，尺寸为６５６３ｍｍｘ５５ｍｍ的槽腔以８ｘ４阵列分布，槽腔与槽腔间正交分布着厚０５ｍｍ和０８ｍｍ的细肋。两型腔中间腹板厚０５ｍｍ，腹板上按特定的倾斜角阵列分布着３２条波缝阵，每个窄缝尺寸为４２８６ｍｍｘ０８ｍｍ，圆角半径为０．４ｒａｍ（如图４５中局部放大图１４所示），另步卜４个直径为２５ｍｍ的通孔分布于腹板的不同位置。零件长度与腹板厚度比达５３８：１，宽度与腹板厚度比达１６０：１。２个直径为３ｒａｍ，深为４５ｍｍ的通孔分布在该波导器件的对角线位置。阵面骨架的尺寸精度是高要求达到±ｏ０１ｍｍ，形位精度最高要求达至ＪＪ：Ｌ０００５ｍｍ，波导及斜缝内腔粗糙度为１６９ｍ，外表面平面度达到ｏ．００８ｍｍ。‘～～（ａ）正面型腔视图（ｂ）反面型腔视图图４．３阵面骨架的三维视图硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工工艺研究＝ｌ墨ｎｏ甾ｌ诱ｖ＇－－４ｏｎ－Ｈ岔Ｉｎ寸《一咿Ｉ《－＿国ｊｉｆ舍ｔ９ｏｏｏ崮三吾４Ｎ．１忒书，ｑ－口口ｒ。。——一誊Ｊ曩ｉｌｎＨｌ固器喧肖球啦疽世寸Ｎ匝】时一．。《∞Ｉ∞３９三铝合金阵面骨架的工艺分析硕士论文０８旧ｌＶ。，＾．。。Ｉ。．（弱台联掣辫警。争）甲’ｅ１０’０千５：’Ｓ上上．．—．—．．．．．．．．移螽巨臼寸ｌ一一一一ｃ文ｃ＝ｏＣ、ｌ；』。～Ｌ～３墓ｌ＼、ｊ一，－一，－－一，垲》Ｅ丑一／∞卜’ｃ。∞甘∞ＮＨｌＲ１黑ｌ黑ＩＲＲ｝Ｒｌ民Ｒ：磐黯剁斟哥哥署ａｔ－３长｜高敬ｎ－，、Ｈ寸ｌｎｔｎｏ西”ｌＮｏＨｌ—Ｎ寸寸Ｈｎｏ刊寸∞∞ｆＲ∞：母卜５卜ＩＲ卜瓣石。ＩＲ瓣Ｂ∞Ｉ更：田｝８甘ｌＲ：辞ｄ∞ｌＲｎ：妥｝８ＮｌＲ：辞ｇｄｌＲ｛醚：丑｝§援ｇ心岳骠８团ｌＲ援葛：罅坚寸Ｉ■ＨＶ１固帑旧赵啦ＩｎＮ球恒进匦硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工工艺研究４．３阵面骨架的夹具设计在机械制造行业中，大量使用着夹具，用以安装加工对象，使之占有正确的加工位置。夹具在保证工件加工质量，改善劳动条件，提高生产率和降低生产成本等方面有着极其明显的经济效益。因此，夹具是企业生产中的一种重要的工艺装备，夹具的设计和改进是技术革新和改造的一个重要举措。夹具在机械加工中的作用，可归纳为以下几个方面【６２】：（１）保证工件的加工质量采用夹具后，工件上各有关表面的相互位置精度是由夹具保证的，不仅省去了十分费时又不十分精确的划线和找正工序，而且精度稳定可靠，还可降低对操作者的技术水平要求。（２）提高劳动生产率和降低加工成本生产率的高低是以单位时间内生产出工件数量的多少来衡量的。要提高生产率，就需要降低加工的单件工时。采用夹具后，不仅省去划线、找正等辅助时间，简化工件的装夹工作，而且当采用较先进的夹紧装置后，还可进一步加快夹紧速度。（３）改善工人劳动强度设计和制造夹具，必须“以人为本＂，对于减轻工人的体力劳动强度，保证生产安全，应给予足够的重视。采用专用夹具装卸工作显然要比不用夹具方便、省力、安全、迅速。因此在设计夹具时，在可能的条件下，应尽量采用机械化传动装置，应用液、气、电为动力源来迅速装卸工件，以逐步实现生产过程的自动化。（４）扩大机床工艺使用范围，改变机床用途造专用夹具，使机床“一机多用”。４．３．１阵面骨架的定位方案在拟定夹具设计方案时，首先必须考虑工件在夹具中怎样被正确定位，其次再考虑怎样被夹紧。工件定位就是确保工件在夹具中处于确定位置，并且同批工件在装夹时都处于同一位置。任何形状的工件在夹具中未定位前，都可以看成在空间直角坐标系中的自由物体，它能沿着Ｘ，ｙ，Ｚ三坐标轴移动（用＿、’、牙表示）和绕着三坐标在单件小批生产或多品种成批生产的条件下，企业内的机床种类、数量将会与产品生产需要发生矛盾，因此可设计制轴转动（用父、９、２表示），这被称为工件的六个自由度。如果要使工件在夹具中的位置完全确定，就需将它的六个自由度全部予以。因此可以说工件定位的实质就是根据加工要求其自由度。工件的定位是由定位元件和定位方式决定的。工件的定位首先要保证工件在夹具中占据确定位置，这可以通过工件的自由度来实现，然后要保证工件的定位有足够的定位精度，使一批工件定位具有一致性，这就要通过选择合适的定位基准、定位方式和定位元件来实现。４１４铝合金阵面骨架的工艺分析硕士论文定位孔２，图４．６阵面骨架正面加工时的定位方案根据阵面骨架的结构，加工正面时，选取骨架件的反面Ａ作为支撑面，如图４．６所示，定位符号Ａｚ方向的移动自由度和Ｘ、ｖ方向的转动自由度。不仅使工件可以承受较大的切削轴向力，而且工件定位的稳定性也得到了提高。利用薄板上的两个咖３ｍｍ的工艺孔作为定位孔，对该工件采用“一面两销＂的方式进行定位。工件零件图上很多尺寸都是以这两个孔的中心线作为基准，这样就做到了设计基准与定位基准的重合，有助于减少零件尺寸的加工误差，保证了工件的型腔加工精度。加工反面时以正面作为支撑面，仍然以这两个孔作为定位基准，这样就保证了加工中定位基准的重合，减少第二次装夹时（加工反面）定位基准改变所带来的误差。４．３．２阵面骨架的夹紧方案工件在夹具中定位后，还必须夹紧。夹紧与定位不能相互替代。夹紧的目的是在工件已经定位好的基础上，在适当的位置施加一定的夹紧力，防止工件在加工过程中不会由于切削力、重力或伴生力（如离心力、惯性力和热应力）等外力作用下而发生滑动、翻转或振动，使工件在整个加工过程中都保持相同的位置，从而保证加工精度，也防止刀具和机床的损坏。通用的夹紧装置，最常见的是由螺栓、螺母、垫圈、压板组成的机械手动夹紧，也有使用液压、气压、电磁等作为动力装置。本工件的夹紧装置也不例外。夹紧装置中夹紧力的设计是关键，夹紧力的设计包括夹紧力的方向选择、夹紧力的施加位置选择和夹紧力的大小选择【６３１。薄壁件夹紧力的方向，施加位置及大小与普通工件的夹紧方案设计相似，但有一些自身的要求，如：（１）夹紧力的大小除了要满足工件不滑动、不翻转等要求外，还要满足由夹紧力所引起的加工变形不能大于薄壁件最大变形量的上限；（２）夹紧力的施加位置与工件的支承位置要相对应，达到最佳组合，以减少薄壁件的装夹变形；（３）夹紧力的施加方向应该尽量避免与切削力的施加方向一致，最好能与之相反，这样可以抵消或减小加工变形哗ｌ。在本课题的工件中，铣削力的方向是垂直于薄板的，加工时又是以薄壁板面作为４２碗±论文铝台金复杂薄壁构件高速加ＴＴｒ艺研究主要的定位基准面，所以夹具夹紧力的方向也应该垂直于薄壁的方向，考虑到装｛ｌ毛的方便，夹紧力应当从上往下压紧工件。夹紧力的施加位置应当选择刚性比较好或有支撑的部位，以减少工件变形。采用螺旋夹紧，夹紧元件选择螺钉，这样有利于利用工件上较小的面积来夹紧。在阵面骨架的结构上分布着大量的型腔，路径复杂，边缘最厚的侧壁也只有３５ｍｍ，如在其上面施加夹紧力，夹紧力作用点距离加工区太近，工件极其容易变形。解决这个问题的方法是，选取的毛坯在长宽上比工件外形大一些，这样就可以利用多余的轮廓边缘作为夹紧力作用点，加工完工件的型腔后再把轮廓铣削到要求的尺寸，夹紧方案如图４７所示。目４７阵面目架的夹紧方案４．３．３阵面骨架的夹具根据前面确定的定位和夹紧的方案，结合了机床工作台及测力仪的结构尺、Ｊ，薄壁件的结构特点，设计了阵而骨架加工的专用夹具，如图４８所示。１测力仪２夹具底板３工件图４８阵面骨架的夹具示意幽测力仪直接夹紧在机床工作台的平口钳卜，在其Ｅ表面以３ｘ６的阵列分布着螺纹孔，孔径大小为西８ｎｌｍ，螺纹孔是用来固定工件或者夹具的。测力仪的作用是用来采集高速加工时刀具在工件上切削所产生的切削力的大小。测力仪采集出来的切削力，４铝合金阵面骨架的工２分析硕±论文经过过滤提取后可以用来分析工件在切削过程中的受力情况，在此基础上进行受力补偿，减少工件受力变形，同时对切削力突变的路径进行轨迹优化。本试验通过测力仪上的螺纹孔１、２、３、４Ｘｒｊ－底板进行固定。匿图４９测力仪表面图底板是连接工件和测力仪的夹具体，是夹具上最重要的部件。根据工件的结构特点和测力仪的结构尺寸，在底板上设计了８个Ｍ６的螺纹孔来固定工件，４个Ｍ８的沉头孔用来固定测力仪。根据前面分析的工件定位结果，在底板上设计了４个定位孔，用来定位工件，如图４１００ｉ示。图４１０底板实物同样，需要在毛坯上面钻８个垂６的孔和两个西３工艺孔，分别用来夹紧和定位其尺寸要同时考虑底板的尺寸结构和工件的特点，具体的尺寸结构如图４１１所示。图４１１毛坯尺寸图《±论文《台盘复杂薄壁构件高速加工工Ｉ艺研究４．４阵面骨架高速加工工艺的优化ＵＣ，ＣＡＭ是ＵＧ中的计算机辅助制造模块，与ＵＧＣＡＤ模块紧密集成在一起。ＵＧＣＡＭ功能强大，可实现对极其复杂零件的自动编程加工，是一个易于使用的编程工具。因此本工件使用ＵＧ来对其进行模型的建立及数控编程。通过第二章的分析可以看出，在薄壁件铣削过程中，螺旋进刀最适合高速加工，它避免了刀具与工件的刚性碰撞和干涉，提高了刀轨的光顺性，且易于实现对切八角的算法优化。因此在高速加工阵面骨架时尽量选用这种方式进刀，如图４１２所示。但是该工件上还存在着大量的狭窄型腔，以致于没有足够的螺旋进刀的空间，所以在狭窄的型腔中仍旧采用斜线进刀的方式来保证加工的顺利进行，选择刀具切入角与工件平面的夹角为１０。，角度越小对工件的冲击力就越小，斜线进刀如图４１３所示。匿霜露曩—露圈画ｌ＊自＃＆《№∞ｖ【删麟Ｉ目自ⅡⅫ口４０口ｏ∞’ｌ《∞§＆ｔｌ｛捕ｉ隧－ｔ＆ｔｏ口ｏ∞ｌ——ｌ自自娄型ｌ目ｎ｝《ｌ＊镕Ｅ目ｌｉ§Ｅ｛二＝—＿＝ｌ目∞ｖｊ２１３ｏｏ。ｏ＋５口０ＤＬ——～…～ｌⅢ玎闾《ｏ口∞。回圃圃１７５０…。”一图４１２螺旋切八示意图及参数２－－－－３２２．二，ｒｌ二；＝；蔷豳函蕊蕊鞫豳圈糯幽４１３斜线切入示意图及参数对于环问移刀，通过分析可以知道，型腔高速铣削加工中环间法向移刀的铣削力和振动最大，表面质量最差，一般圆弧移刀的铣削力和振动稍小，表面质量稍好，较大圆弧移刀的铣削力和振动更小，表面质量更好，Ｂ样条曲线移川的铣削力和振动最小，表面质量最好。ＵＧＣＡＭ中只提供了环间直线移刀和环间普通圆弧移刀或者两者混合使用，如罔４１４所示，在ＵＧＣＡＭ中选用普通圆弧移刀来加工阵面骨架。４铝合金阵面骨架的工艺分析硕士论文（Ｂ）直线移刀圈４１４＜ｂ）圆弧移刀ＵＧＣＡＭ中环间移刀的方式∞两者混合４．４．１工件正面加工工艺优化阵面骨架的正面型腔分布着大量的狭长窄槽，它们的宽度大小不一．有的只有ｌｍｍ，有的是４１７５ｍｎａ，大部分的型腔宽度大于５ｍｍ，小于１０ｒａｍ，为了提高加工效率，首先选择≠４的平底立铣刀进行粗加工，底面铣至要求的尺寸，侧面留下精加工余量０２ｍｍ。对于几处壁厚不到ｌｍｍ的复杂薄壁结构．如图４１５所示，为了防止大直径刀具走刀产生过切，提高这几处薄壁结构的加工质量，使用＃４的刀具粗加工时，在薄壁的两侧适当加厚，如图４１６所示，待用小直径刀具加工时再把它们铣削到位。对于另外几处用≠４的刀具不能加工的窄型腔，待到下一步的加工中再铣削。利用ＵＧＣＡＭ中的型腔铣功能，进行阵面骨架正面型腔的粗加工。否弱圈４１５薄壁结构硬±论文铝台金复杂薄墅构件高速加工工工艺研究豳鬻豳ｌ鋈鋈嚣鋈凰囊ｌ隧ｉｌ黼箧●■—氍缓羹璧｜錾《ｇ鎏豳图４１６两侧加厚后的潭壁结构半精加工时使用直径为ｌｍｍ的刀具进行侧壁的精加工以及两处４１７５ｍｍ的型腔的加工，如图４１７所示。两处４１７５ｍｍ的型腔如果用４ｍｍ的刀具加工，那么在两个型腔侧面留下的余量只有００８７５ｍｍ。对于半精加工，切削余量显得不足，而且刀具只能够走一次满刀宽切削的路径，很容易发生振动，影响到侧壁的加工质量，所以选择用ｌｍｍ的刀具来加工这两个型腔。图４１７正面、Ｆ精加工时的走刀路径示意图精加工时使用直径为０５ｍｍ的刀具进行精加工，切削加工的区域包括儿处加厚过的薄壁和不到Ｉｍｍ的窄槽，其走刀路径如幽４１８所示。虽然用细小直径刀具加工时的切削参数小，效率低，但薄壁和窄ｌ“腔的加工质量能够得到比较好的保证。圈４１８正面精加工时的走刀路径示意图４．４．２工件反面加工工艺优化工件反面型腔没有正面型腔那么复杂曲折，反面为多筋槽腔结构，尺寸为４７４铝合金阵面骨架的Ｉ艺分析顶±论文６５．６３ｍｉｎｘ５．５ｍｍ的槽腔以８ｘ４阵列分布，槽腔与槽腔间正交分布着厚０５ｍｍ和０８ｍｍ的细肋，正反两面的中间腹板只有０５ｍｍ。对于多个框体来说，最重要的是对各个框体的加工顺序作出选择，即先加工哪个框体，后加工哪个框体。不同的加工顺序对于框体的整体变形的影响必然有差异。根据ＵＧＣＡＭ中加工顺序的选项，选择出三种不同的加工顺序进行分析，即标准顺序、优化顺序、跟随预钻点顺序。同时根据需要自定义了一种加工顺序，这四种不同的加工顺序示意图如图４１９所示。Ｃａ）ＵＧ中的标准顺序（ｂ）ＵＧ中的优化顺序（ｃ）ｕＧ中的跟随预钻点Ｊ唾序（ｄ）自定义顺序图４１９框体不同加工顺序示意图其中，标准和优化顺序的走刀路径相类似，都是沿着纵向切削，如图４１９（ａ）（ｂ）所示。跟随预钻点是沿着横向切削，如图４１９（ｃ）所示。自定义顺序是先从型腔中间开始铣削，即先环切中间两行型腔，加工路径从ｌ一８，再对称铣削周围四行型腔，如图４１９（ｄ）所示。由于工件的中间部分远离四周，刚性差，随着两边型腔硕士论文铝台金复杂薄壁构件高速加工ＩＩ艺研究材料的去除，刚性会越来越差，加工时很容易变形；因此先加工中间的型腔，这样就可以利用四周还未去除材料的型腔来提高工件自身刚度，减少加工变形。靠近四周的型腔由于受到夹紧力的作用而使其剐度增大，又由于两边对称铣削能够很好的释放残余应力．让两边应力达｜Ｉ平衡而相互抵消，减少加工变形。综合考虑以上加工顺序的优缺点，本课韪工件反面型腔采用自定义顺序铣削。４．４Ｊ小孔的加工工艺优化小孔很规则地排列在工件反面的每个型腔中，每个ｄ＇Ｔｔ与它所在的型腔四周距离基本相同。型腔的侧壁能够影响Ｎｄ＇４ｔ所在腹板的刚度，所以在走刀路径卜影响：Ｊ＇ＴＬ加工质量的因素与小孔所在的型腔有着密切的关系。由于反面每个型腔的尺寸大小都是相同的，ｄ＇；Ｉｔ相互之间的距离也较远，所以小孔的先后加工顺序对工件质量的影响就小，主要与单个ｄ＇ｉＬ的加工工艺有关。选择如图４２０所示优化顺序对小孔进行加工。各ｄ＇ＴＬ之间的相互影响不像加工型腔那么大，为了减少走刀路径的距离，极大提高加工效率，加工时采用深度优先的加工方式。假如小孔加｜Ｔ采用的是ｏ２ｍｍ的细直径刀具，加工质量会比较好，但是切削参数极小，导致效率低。为了提高效率和保证质量，分两步来加工，首先使用０工，这样保证加丁质量的同时也提高了加工效率。５ｍｍ的刀具粗加２ｄ＇孔，侧壁留下０１５ｍｍ的精加工余量，接下来使用ｏ２ｒｍｎ的刀具精加圈４２０小孔加工走刀路径示意图４．５本章小结本章根据阵面胃架的材料特性和结构特点，分析了骨架件的加工难点：确定了骨架件的定位与夹紧方案，依据前面的分析结果和构件结构特点设计ｒ底板的结构尺寸，同时加工出阵面骨架的专用夹具。对阵面骨架的高速加工刀具轨迹进行了优化，合理地制订了工件加工的工艺路线。５铝合金阵面骨架高速铣削试验研究碗±论文５铝合金阵面骨架高速铣削试验研究阵面骨架高速铣削加工的试验目的是对理论分析进行验证，也是对该项目进行进一步深入研究的必要工作。试验还可以观察到一些理论分析方法无法预料的现象。对试验结果进行分析和总结，能够提升现有的认识水平，是进行更深层次研究的基础。在机床上加工零件时，首先应该对零件进行工艺分析，制订零件加工的工艺规程，包括机床、刀具、定位夹紧方案及切削参数等工艺参数。对试验的前期工作已经进行了充分的准备，夹具设计、路径优化和工艺的制订在第四章中作丁介绍，为下一步试验加工打下了良好的基础。５．１试验设备及仪器阵面骨架高速铣削加工的设各及仪器如表５Ｉ所示表５Ｉ试验设备及仪器机床毛坯规格刀具铣削条件粗糙度仪显微镜ＶＭＣＬ６００立式加工中心防锈铝合金ＬＦ２１．２８０ｘ１００ｘ６（ｕｍＤ．表面平整ＳＡＮＤＶｌＫ≠４、≠２、柙、≠Ｏ５、≠ｏ油冷ＴＲｌ００粗糙度仪２立铣刀ＸＴＬ－３４０体视显微镜图５１阵面骨架加工砸士论文铝合金复杂薄壁构件高速Ⅻ工工Ｉ艺研究５．２工件毛坯的加工在毛坯的加工过程中最先遇到的困难是如何保证所要的毛坯在厚度方向的基本尺寸为４５ｍｍ。项目提供方寄来的几件毛坯厚度为６ｍｍ，加工余量只有Ｉ．Ｓｍａｒｔ．平行度很差，翘曲厉害，如图５．２所示。这样的毛坯在机床上铣削时，厚度方向的基本尺寸很难控制在４５ｎｕｎ，加上毛坯本身的应力不平衡，表面铣削之后的残余应力更大，致使毛坯的变形加剧，零件报废。毛坯不平中问翘起图５．２毛坯翘曲为此，选择了一块平面度较好且经过去应力处理的ｌＯｎｎｎ厚薄板，从正反两面反复小切源铣削加工。正反面对称铣削的目的是使释放出的残余应力相互平衡抵消，减少毛坯变形。铣削加工之后，毛坏表面产生了很多的振纹，如图５．３（ａ）所示，这将会对１件的表面质量产生很大的影响。产生这种现象的原因是由于毛坯长度（３００ｍｍ）比铣床台钳钳口长度（１５０ｔａｒａ）长的多，台钳夹紧后有一部分的毛坯伸出台钳两端，两边悬空．没有受到夹紧力和支撑板的作用，加工时工件就会上下剧烈振动，产生明显的振纹。产生明显据故盂明显挺绽（ａ）普通装夹（ｂ）专用夹具装夹图５．３不同装夹方式的毛坯表面质量为此，设计了个铣自４毛坯表面的夹其，如图５．４（ａ）所示。夹具的作用是使毛坯在整个睦度上都受到央紧力的作用，同时毛坯底面有夹具表而支撑，铣削时极大的减少了毛坯上下振动，有效的避免表面振纹的产生。在夹具两边的表面加工出两个比表面更低的狭长型腔，使得刀具加工产生的圆角低于夹具的装夹表面，防止夹具上的加工圆角抬高毛坯从而影响毛坯装夹后的厚度，保证了毛坯的厚度和平行度方面的尺寸要求，如图５．４（ｂ）中合理的方案。对丁５．４（ｂ）中不合理的方案．刀具的加工圆角与夹具底面在一个平面上，当毛坯放置在其上时，圆角会抬高毛坯在ｚ方向的尺寸，５铝合金阵面骨架高速铣削试验研究硕士论文影响毛坯沿水平方向的平行度。利用设计的夹具加工出的毛坯如图５．３（ｂ）所示，表面质量较好，没有出现明显的震纹。ａ）夹具方案（ｂ）刀具加工圆角图５．４平面铣削夹具方案５．３刀具选择及切削参数的确定５．３．１刀具选用高速加工可用的刀具品种繁多，刀具选用时要根据所要加工的材料和实际加工条件（切削速度、进给速度、冷却条件等）来选用刀具的材料、几何角度（前角、后角、刃倾角），几何形状等参数。同时在满足加工要求的前提下，选用刀具还要综合考虑刀具的耐磨性、刀具寿命、环保、刀具使用经济性等诸多因素。本论文选择了Ｓａｎｄｖｉｋ公司所产的高性能立铣刀和通用立铣刀，其刀具示意图如图５．５所示。图５．５ＳＡＮＤＶＩＫ刀具示意圈试验）ＪＨＩ所要用到的五把铣刀的参数如表５２所示，刀具都是硬质合金材料制成，两齿。工件型腔深２ｍｍ，所以粗加工型腔的刀具刃长必须太于２ｍｍ才能保证加工的安全。表５．２刀具参数刀具代号刀具直径齿数１２（ｒａｍ）１，（ｒａｍ）刀具材料Ｒ２１６３２．０４０３０＿Ａｃ０８Ａ硬质台金硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工工艺研究Ｒ２１６．３２－０２０３０．ＡＣ６０ＡＲ２１６．３２＿０１０３０．ＡＥｌＯＧＲ２１２１０．５Ｏ．２２２２２５７５４５４４０９．５２．５１．２０．６硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金６．３２－００５３０叫墟０５ＧＲ２１６．３２．００２３０－ＡＣ０８Ａ５．３．２切削参数的选择在４．４节中对工件的工艺路径进行了优化和制订。由于加工工件所用的刀具直径都很小，为了防止刀具损坏，在选择切削参数时根据ＳＡＮＤＶＩＫ公司提供的刀具切削参数参考资料，选择出了适用于切削铝合金材料的参数。同时结合工件加工的工艺路径，制订了表５．３所示的切削参数表。表５．３切削参数加工方式刀具直径（ｍｍ）主轴转速（ｒｐｍ）１００００１００００１００００１００００１００００１００００１００００每齿进给量（ｍｍ／每齿）０．０６０．０２Ｏ．Ｏｌ０．０４０．０２Ｏ．Ｏｌ０．００４轴向切深ａｐ（ｒａｍ）Ｏ．７０．２５０．１５０．５０．２５Ｏ．１５０．０５径向切深ａ。（ｒｎｎｌ）２０．２５Ｏ．１５０．５Ｏ．２５Ｏ．１５０．０５正面加工粗加工半精加工精加工４１Ｏ。５２１Ｏ．５０．２反面加工小孔加工粗加工精加工粗加工精加工５．４试验方案一５．４．１装夹方式在本次的试验方案中，由于毛坯的长宽已经加工到工件尺寸的大小，因此在毛坯四周没有足够的加工余量来夹紧，需要更换原来设想的装夹方式来加工本工件。利用铣削平面的夹具来装夹毛坯是一个很好的的方案，其装夹方式如图５．６所示。从理论上分析，该装夹方式容易产生加工变形，并不是很合理的方案。但若工件只是单件小批量生产，该装夹能够缩短产品的制造周期，省去设计专用夹具和毛坯钻孔等辅助加工的时间，提高单件生产效率。５３５铝台金阵面骨架高建铣女０试验研究硕士论文图５．６工件装夹方式５．４．２加工结果分析在加工工件的正面时，没有产生明显的加工变形，因为此时的工件反面没有加工，工件的整体刚度较好。当加工工件反而时，由于正面型腔已经加工到位，对于整个工件而言，材料的去除率己达３０％，使得工件整体的刚度极大得减小。同时夹具两端夹紧着工件，工件在两侧面受到了一个较大的夹紧力。随着反面型腔的加工，材料的去除率继续增大，刚度也继续降低，导致工件从两边向中间挤压、翘曲、变形，加工出的工件形状如图５．７所示。可以看到工件的中间腹板由于翘曲变形，基本被铣削加工透。Ｃａ）工件正面（ｂ）局部放大图５７加工样件影响该工件加工变形的主要因素来自型腔的走刀路径和夹紧力的大小。为了使该装夹方式加工出的工件达到要求的加工精度和表面质量，可以从以下两个方面进行改５４硕士论文铝告＆复杂薄壁构件高速加工Ｉ工艺研究进：首先，对于走刀路径的选择，遵循的加工原则是易变形的先加工，难变形的后加工。首先从中间开始加工型腔，此时两侧未加工的型腔材料还在，工件的刚度也较好，中间腹板翘曲的小。中间型腔加工完后，再对称加工两侧的型腔，由于两侧的型腔靠近台钳，台钳的力直接加载在其上面，力臂小，在力的大小和方向相同的情况下，力所产生的侧翻力矩也小，加工变形明显小于中间腹板。型腔的这种自定义的走刀方式在本论文４４２中已经介绍。其次，由于高速加工铝台金的切削力很小，所以台钳的夹紧力可以控制的较小，这样就可以控制夹紧力引起的中间腹板变形大小在零件图允许的范围内。阻止工件转动和移动是通过台钳两侧面与工件产生的摩擦力来实现的，为了避免工件移动，工件高速加工时的切自４力必须小于夹紧力所产生的最小摩擦力。利用ＡＮＳＹＳ软件模拟出的加工变形结果如图５．８所示，台钳灾紧工件的初始预紧力为６００Ｎ，转化为工件两侧的面载荷为４９５６６３Ｐａ。从图中可知ｚ方向的变形展太为４８８Ｉ＿ｔｒｎ，工件变形呈对称状，从两边往中间翘曲，这符合工件加工的变形规律。随着工件型腔材料在加工过程中被慢慢的切除，两边的夹紧力也会随着材料的减少而减小。初始预紧力为６００Ｎ，丁件加工完后夹紧力估计只有３００Ｎ左右。夹紧力越小变形也就越小，但是如果初始预紧力太小，央紧力所产生的摩擦力小于加工时的切削力时，工什可能甩出台钳。根据央紧力在机床央具设计过程中的计算【６“，工件的央紧力最小值取为１ＳＯＮ，所以初始预紧力应该为３００Ｎ。要求的工件正反两平面的平行度为８岫，初始预紧力为６００Ｎ，工件的变形不会超出允许范围。加上一些可能使变形加大的不确定的机床误差和加工误差，初始预紧力最大值取为６００Ｎ。综上，用台钳央紧工件时初始预紧力的合适范围为３００Ｎ一６００Ｎ。５铝台金阵面骨架高速铣自Ｕ试验研究硕±论文圈５．８夹紧变形有＃＆元仿真５．５试验方案二５．５，ｌ装夹方式本次试验方案中，使用４３３节所设计的夹具装夹工件，避免工件从中间翘曲而产生严重的加工变形，保证了中间腹板的厚度和工件整体质量。对于铝合金薄壁构件，控制变形是首要目标。加工完工件正反两面后再把其外轮廓铣削到要求的尺寸，其装夹方式如图所示。螺钉工件台钳雇板图５．９工件装夹方式５．５．２加工结果分析硕±论立铝台金复杂簿熊陶件高速加工ＩＩ艺研究（ａ）工件正面（ｂ）工件反面图５１０加工样件加工完成的工件如图５１０所示，从整体上来看。加工效果很好，没有出现明显的变形，小孔也全部铣透。但还需借助仪器观察工件的细小结构和细小尺寸是否符合零件图上的结构和尺寸要求。利用手持式粗糙度仪，在工件正反面的型腔底面随机选取十个点测最其表面粗糙度冠口，表面粗糙度值分别是ＲａＯ７５１１ｍ、ＲａＯ．７２１１ｒｉｌ、Ｒａ０８３ｂｕｒｒ、ＲａＯ８７１１ｍ、ＲａＯ７０１ｕｒ，、Ｒａｌ０３ｂｔｒｎ、ＲａＯ５６９ｒｎ、Ｐａｌ１ｌｇｍ、ＲａＯ９３ｍ、ＲａＯ８８，ｕｒｎ。零件图纸要求的正反面型腔底面粗糙度值Ｒａ＜ｌ６９ｍ，可见工件的表面粗糙度值较小，表面质量较高，符合零件的要求。利用休视显微镜观察工件型腔的几个局部特征，并与上届加工出的工件作了对比，如图５１１所示，这些图为工件破大１０倍后的局部图。ｂ）（ｂ’）５铝台金阵面骨架高遣铣削试验研究硕±论文（ｄ）匿５Ａｌ型腔局部微观形貌视图（矿）（ｂ。）（ｄ）（ｄ７）（ｅ’）为上届加工出的工件局部形貌图，其余为本次试验加工完成的工件局部形貌图。从图上对比中可以看出，本次工件的加工质量明显优于上次。在（ａ’）中，工件的尖角在圆弧过渡中被切除，原因是加工工件的刀具直径过大，在尖角的圆弧过渡处发生了过切。在本次试验加工中，通过优化走刀路径，粗加工时加厚极薄结构的侧壁尺寸，精加工时再以小刀具直径铣削，避免了过切。在（ｂ７）中，侧壁的两边缘出现很明显的毛刺，刀痕极不光滑，原因是加工中用的次摆线进刀，这种加工方式是靠刀具螺旋进刀来切除材料。薄壁两侧产生了很多螺旋走刀留下的毛刺，当然没有沿着侧壁直线走刀去除材料加工出的质量好。在（ｃ７）（ｄ）中，圆弧和直角过渡处发生了啃刀，原因是刀具拐弯时靠近材料边的切自ｑ速度突然降低，径向切深增大，使刀刃不能够快速旋转切除材料，而是不断的挤压侧壁，引起了啃刀。本次加工，优化了走刀路径，同时使用细小直径精加工，避免了这种缺陷的产生。在（ｅ’）中，加工出的小孔周围有很多毛刺和卷边，加工质量差。原因是孔的尺寸很小，使用直径０５ｍｍ的刀具加工时，走刀路径短，刀具急骤急停，切削速度缓慢，刀具不能在小孔里面充分的铣削。本试验加工中使用Ｏ５ｍｍ的刀具首先粗加工，再次用０２ｍｍ的刀具精加工，提高了加工效率的同时保证了较好的加工质量，没有出现明显的毛刺和卷边。（ａ）（ｆ）这两个结构为型腔中最薄的侧壁，分别为０６ｍｍ和０５ｍｍ，最易发生过切。（ｂ）（ｄ）为工件的直角和钝角转接，刀痕过渡的非常平精自然，没有出现啃刀和加工不到位的现象。（ｅ）为工件上的３２个小孔之一．小孔铣通，在孔四周投有出现明显的毛刺和卷边。本次试验加工出的工件加工质量获得了较好的提高，说明制订的走刀路径、加工方式、切削参数等工艺适合阵面骨架的高速加工。５８硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工工艺研究５．６本章小结本章针对本课题所要加工的阵面骨架件进行了高速铣削加工，包括制订了合理的铣削方案，选择合适的刀具和合理的切削参数，设计了平面铣削专用夹具。阵面骨架是一典型的薄壁铝合金构件，容易变形是其加工的一大特点。对其进行了两种不同装夹方式的加工试验，通过对比分析，使用底板进行装夹所产生的加工变形较小。通过走刀路径的优化、合理的铣削方式，阵面骨架的加工精度和表面质量较之以前获得了很大的提高，符合零件图纸的要求。５９６总结与展望硕士论文６总结与展望６．１论文主要工作及成果本论文在某科研项目的基础上，以典型的铝合金薄壁构件作为研究对象，围绕工件加工变形，通过理论分析、数值模拟、试验研究等方法对薄壁构件的高速加工工艺技术进行了研究。论文所做的主要工作和所取得的成果如下：（１）高速加工刀具轨迹的优化介绍了在高速加工薄壁构件中刀具切入方式的优化、环间移刀轨迹的优化、圆角刀具轨迹的优化、平面铣削刀轨的优化。通过对比分析可知，螺旋进刀地切入方式能够产生连续的切削加工，容易保证加工精度和表面质量，最适合型腔的高速加工。以Ｂ样条曲线过渡的环间移刀方式从当前轨迹环的切向过渡到下一个刀具轨迹环，加工出来的曲线最平滑，过渡最平稳。细化圆角处的走刀路径，保持刀具在圆角过渡时切削夹角的恒定，能够避免切削力的突变。通过选择合适的平面铣刀直径，合理的刀具切入角优化了平面铣削时的刀轨。（２）铝合金典型薄壁结构的加工分析了典型薄壁结构中侧壁和腹板的加工，分层对称铣削的方式加工侧壁、从中间环切至四周的方式加工腹板都是利用了工件未加工部分的材料提高工件本身刚度，减少了工件的加工变形。同时利用有限元对其变形进行模拟和仿真，观察最大变形和最小变形的发生位置和变形大小，然后对其进行分析。最后对典型薄壁结构的加工变形进行试验验证，试验验证得出的变形结果与有限元的仿真结果相符合。（３）阵面骨架的夹具设计在综合考虑工件的材料特性、结构特点、定位和夹紧方式的基础上，确定了阵面骨架的装夹方案。设计并加工出骨架件的高速加工夹具，该夹具结构简单，使用方便，并且能够很好的控制工件在加工中所产生的变形。（４）阵面骨架的加工路径规划在分析了工件型腔的结构尺寸、加工特征及加工精度的基础上，对工件的整体加工工艺进行规划，同时优化一些走刀路径。’对于正面型腔的加工，采用了在粗加工时加厚极薄结构的两侧壁，精加工时用小直径刀具去除的方式来保证细小结构的质量。对于反面型腔的加工，优化了多个型腔的走刀路径，采用自定义的加工顺序能够最大限度地减小加－Ｖ变形。对于小孔的加工，在加工方式上采用直径０．５ｍｍ的刀具粗加工，用直径０．２ｍｍ的刀具精加工，既能提高加工效率又能保证加工质量。（５）阵面骨架的高速铣削试验通过前面对工件进行结构分析、夹具设计、路径规划的基础上，选择了合适的硬６０硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工工艺研究质合金刀具和切削参数对工件进行高速铣削加工。并对比了两种装夹方案的加工变形，使用底板装夹工件的效果最好。加工样件的加工精度和表面质量都得到了很大的提高，没有出现明显的加工缺陷，满足了加工要求。６．２今后研究方向精密薄壁构件的加工变形分析和控制是非常复杂的工程问题，本文由于时间及试验设备条件所限，还不够深入。为了更进一步的研究薄壁件变形控制技术，早日实现精密薄壁大规模批量生产，以后的研究工作应注重以下几个方面：（１）从高速切削铝合金典型薄壁构件的加工残余应力、高速切削热力等方面进一步深入研究构件的加工变形。（２）对阵面骨架批量化生产的工艺稳定性和质量稳定性还有待于进一步的深入研究。６１致谢硕士论文致谢＋本文是在导师袁军堂教授的悉心指导、关心和帮助下完成的。在课题进展过程中，导师提出了许多指导性意见，对论文的顺利完成起到了至关重要的作用。在攻读硕士学位期间，无论是在学习上还是生活上以及找工作上，袁老师都为我付出了大量的心血，给予了无微不至的关怀和严格的指导，我的专业知识和科研能力也得到了极大的提高，都将使我难以忘怀。袁老师以其渊博的知识、严谨的治学态度和高尚的品德深深地影响了我，并将使我终生受益。在论文完稿之际，我谨向袁老师表示崇高的敬意和深深的感谢。感谢课题组的胡小秋老师和程寓老师在我开展课题研究时给予的指导和帮助，他们一丝不苟、平易近人、和蔼可亲的态度我永远不会忘记。感谢工程训练中心的王主任等老师在我做高速铣削实验过程中给予的巨大帮助！感谢师兄汪振华博士在我的生活和学习中给予的细心指导和热心的帮助！感谢１０６教研室的所有师兄弟，大家在一起互相给予了很多的关心和帮助，使我们结下了深厚了友谊。最后感谢我的家人和朋友，他们不断的支持和无私的关爱是我在学业上向前奋进的动力，学业的顺利完成离不开他们对我的鼓励和支持。６２硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工工艺研究参考文献［１】艾兴等．高速切削综合技术．航空制造技术，２００２（３）：２０－，２３【２】张伯霖．高速切削加工技术在美国的最新发展．制造技术与机床，１９９４（４）：５￣６和３４【３】张伯霖，谢影明．超高速切削的原理与应用．中国机械工程，１９９５，６（１）：１４￣１７【４】任晓华．高速铣削技术的发展．航空工程与维修，２００１（５）：１８－２０［５】ＰａｕＭ．Ｎｏａｋｅｒ．高速铣削加工的发展．国外金属加工，１９９２（２）：２３－２８【６】周正干等．高速加工的核心技术和方法．２０００（３）：１３～１６［７】艾兴等．高速切削刀具材料的进展和未来．制造技术与机床，２００１（８）：２１－２５［８］王炎．飞机整体结构件数控加工技术应用中的问题与对策．航空制造工程，１９９８（４）：２８－３０【９】。Ｓｈｒｅｙｅｓｗｏｒｋｐｉｅｃｅｌｏｃａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｔｈｒｏｕｇｈｆｉｘｔｕｒｅｌａｙｏｕｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，１９９９（３９）：８７１．８８３ＢＬ，Ｍｅｌｋｏｔｅ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ【１０】董辉跃等．铣削加工中薄壁件装夹方案优选的有限元模拟．浙江大学学报，２００４（１）：１７—２１［１１】谢友宝，吴竹溪．夹具夹紧方案优化设计．现代制造工程，２００５（６）：６７～６９［１２】付秀丽，艾兴．航空整体结构件的高速切削加工．工具技术，２００６（３）：８０～８３［１３】王炎．飞机整体结构件数控加工技术应用中的问题与对策．航空制造工程，１９９８（４）：２８－－３０［１４】李尚政，刘宏．弱刚度件加固装夹技术．工程物理研究院科技年报，２００３（１）：１８１～１８２［１５】郭魂，左敦稳．拉伸装夹对航空框类零件加工变形影响的有限元分析．南京航空航天大学学报，２００５，３７（１１）增刊：７２～７６［１６］肖璐，王凡．用于薄壁件加工的磁流变夹具．新技术新工艺，２００７（１）：２６～２７［１７】李黎．电控永磁装夹系统：高速切削—现代制造技术的选择．世界制造技术与装备市场，２００４（１）：２６￣３８［１８】ＪｅｒａｒｄＲＢ．ＦｕｓｓｅｌｌＢＫ．Ｔｏｏｌｐａｔｈｆｅｅｄｒａｔｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ：Ａｃａｓｅｓｔｕｄｙ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２０００ＮＳＦＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．２０００：３－６［１９】王志鑫．两种典型航空材料数控铣削工艺研究与优化．大连理工大学硕士学位论文，２００５【２０］Ｊ．Ｗａｎｇ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒａｉｄｅｄｅｃｏｎｏｍｉｃｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｅｎｄ－ｍｉｌｌｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＥｃｏｎｏｍｉｃｓ．１９９８，５４：３０７－３２０【２１】董辉跃，柯映林．薄壁板高速铣削加工过程中的让刀误差预测．浙江大学学报６３参考文献硕士论文（工学版），２００６，４０（４）：６３４－－６３７【２２］王金凤．薄壁铝合金件的高速切削工艺研究．制造技术与机床，２００６（１０）：２１￣２４［２３】武凯，何宁．基于变形控制的薄壁结构件高速铣削参数选择．机械科学与技术，２００５，２４（７）：７８８～７９１［２４】艾兴．高速切削加工技术．北京：国防工业出版社，２００３．１０［２５】魏丽，郑联语．改进薄壁零件数控加工质量的进给量局部优化方法．航空精密制造技术，２００１，３７（４）：１肚１４［２６】张兴全．ｉＴＮＣ５３０数控系统的高速加工性能．航空制造技术，２００６（４）：１０８－１０９【２７】付敏．高速铣削铝合金加工技术的研究．哈尔滨理工大学硕士学位论文，２００４［２８】黄志刚．航空整体结构件铣削加工变形的有限元模拟理论及方法研究．浙江大学博士学位论文，２００３［２９］董辉跃．航空整体结构件加工过程的数值仿真．浙江大学博士学位论文，２００４［３０］黄绍良．控制薄壁舱体残余应力的方法．宇航材料工艺，１９９４（５）：５２－５３［３１】刘胤．弱刚度结构件的高速铣削及变形控制技术研究．南京理工大学硕士学位论文，２００８［３２】赵振字．型腔高速铣削加工刀具轨迹优化研究．深圳信息职业技术学院学报，２００８（６）：４２—４７［３３］ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＳｔａｎｄａｒｄｉｎｇ，２０００，ＩＳ０１４６４９—１１Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｕｔｏｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓａｎｄｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ—·Ｐｈｙｓｉｃａｌｄｅｖｉｃｅｃｏｎｔｒｏｌ－·Ｄａｔａｍｏｄｅｌｆｏｒｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ－ｐｒｏｃｅｓｓＤａｔａｆｏｒＭｉｌｌｉｎｇ［３４】叶友东等．高速铣削下不同切入方式的刀轨研究．工艺与装备，２００８（８）：７５～７７【３５】ＰａｒｋＳＣ，ＣｈｏｉＢＫ．Ｔｏｏｌ－ＰａｔｈＰｌａｎｎｉｎｇｆｏｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎ－Ｐａｒａｌｌｅｌａｒｅａｍｉｎｉｎｇ【Ｊ】．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ—ＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ，２０００，３２（２）：１７－－２５．［３６】ＣｈｏｉＢＫ．Ｃｏｎｔｏｕｒ－Ｐａｒａｌｌｅｌｏｆｆｓｅｔｍａｃｈｉｎｉｎｇｗｉｔｈｏｕｔｔｏｏｌ—ｒｅｔｒａｃｔｉｏｎｓ［Ｊ】．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ，２００３，３５（９）：８４１～８４９．【３７】ＨａｎｓｅｎＡ，ＡｒｂａｂＥＡｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎＮＣｔｏｏｌＰａｔｈｓｆｏｒａｒｂｉｔｒａｒｉｌｙｓｈａｐｃｄｐｏｃｋｅｔｓｗｉｔｈｉｓｌａｎｄｓ［Ｊ】．ＡＣＭＴｒａｎｓＧｒａｐｈ，１９９２，１１（２）：１５２～１８２．［３８】ＪｅｏｎｇＪ，ＫｉｍｖｏｒｏｎｏｉＫ．ＴｏｏｌＰａｔｈｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｆｏｒｍａｃｈｉｎｉｎｇｆｒｅｅ—ｆｏｒｍｐｏｅｋａｓｕｓｉｎｇｄｉａｇｒａｍｓ［Ｊ】．Ａｄｖａｎｃｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９８（１４）：８７６－－８８１．Ｋ．Ｍａｃｈｉｎｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎ—ＰａｒａｌｌｅｌｔｏｏｌＰａｔｈ［３９】ＫｉｍＢｏＨ，ＣｈｏｉＢｗｉｔｈｃｏｎｔｏｕｒ－ＰａｒａｌｌｅｌｔｏｏｌＰａｔｈ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ—ＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ，２００２，３４（２）：８９—９５．ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ［４０】ＣｈｏｉＢＫ．ＡｎｅｗＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＣＮＣｔｏｏｌｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｆｏｒｔｈｒｅｅ－ａｘｉｓｓｃｕｌｐｔｕｒｅｄｐａｒｔｍａｃｈｉｎｉｎｇ－Ａｓｔｅｅｐｅｓｔ－ａｓｃｅｎｄｉｎｇｔｏｏｌＰａｔｈ［Ｊ】．ＪｏｕｒｎａｌｏｆａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４，１２６（３）：５１５－５２３．［４１】施法中．计算机辅助几何设计与非均匀有理Ｂ样条．北京：北京航空航天出版６４硕士论文铝合金复杂薄壁构件高速加工工工艺研究社，２００１【４２】神会存，周来水．Ｂ样条曲线∞连续混合．中国机械工程，２００５，１６（１８）：１６５８－１６６１［４３】田锡天．样条插补技术在ＣＮＣ系统中的应用．航空制造技术，２００３（５）：１３钆１３７［４４】王巧生．高速铣削切削力变化及刀具轨迹优化研究．广东工业大学硕士学位论文，２００５［４５】赵威等．航空薄壁件圆角的铣削加工试验研究．工具技术，２００３，３９（３）：１６～１９【４６】斯密德（Ｓｍｉｄ，Ｐ．）著，罗学科等译．数控编程手册．北京：化学工业出版社，２００５［４７】韩荣第等．金属切削原理与刀具．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，２００４［４８】王金凤．薄壁铝合金件的高速切削工艺研究．制造技术与机床，２００６（１Ｏ）：２１，－－２３［４９］李沪曾等．薄壁整体结构件的高速铣削．同济大学学报，２００７（４）：５２２～５２５［５０】杨少兵．三连波导高速铣削工艺优化．硕士学位论文，２００４［５ｌ】宫等．辅助支承在薄壁加工中的应用．机械制造，２００４（４２）：６７～６８【５２】赵威等．薄壁结构的高效铣削加工．航空精密制造技术．２００２，３８（６）：１２～１４【５３】武凯．航空薄壁件加工变形分析与控制研究．南京航空航天大学博士学位论文，２００２［５４】卫董程．难加工框体结构件高效精密加工机理与技术．南京理工大学硕士学位论文，２００７【５５】周传月等．工程有限元与优化分析应用实例教程．北京：科技出版社，２００５【５６】龚曙光，谢桂兰．ＡＮＳＹＳ操作命令与参数化编程．北京：机械工业出版社，２００７【５７】张玉龙，赵中魁．实用轻金属材料手册．北京：化学工业出版社，２００６［５８】王开诚，胡方仁．俄罗斯平板裂缝天线制造技术．航天出国考察技术报告，１９９６．１１１（２）．１０３～１０８［５９】潘复生，张丁非．铝合金及应用．北京：化学工业出版社，２００６［６０】刘苏南，袁朝阳．机载雷达馈线关键零件制造工艺研究．电子机械工程，１９９９（４）：６１－６４［６１】张永强．高速切削雷达结构件的工艺研究．南京航空航天大学硕士学位论文，２００２［６２］李昌年．机床夹具设计与制造．北京：机械工业出版社，２００６［６３】方子良．机械加工工艺学．上海：上海交通大学出版社，１９９８【６４］周小兵．精密薄壁零件装夹变形的分析与控制研究．南京航空航天大学硕士学位论文，２００６［６５】刘俊成．机床夹具在设计过程中夹紧力的计算．工具技术，２００７，４１（６）：８９～９０铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺研究

作者：

学位授予单位：

邓文

南京理工大学

1. 黄建安 铝合金复杂薄壁构件高速加工工艺技术研究[学位论文]20082. 马纯艳 薄壁件高速铣削加工变形分析与实验研究[学位论文]20083. 楼文明 航空薄壁件铣削加工变形补偿技术研究[学位论文]20074. 姜涛 铝合金薄壁零件精密加工铝合金薄壁零件精密加工[学位论文]20095. 倪维根 薄壁工件高速铣削路径优化与工装设计[学位论文]20076. 王少红 航空薄壁零件的铣削加工变形控制研究[学位论文]20087. 肖璐 高速铣削加工铝合金薄壁件的工装研究[学位论文]20078. 胡韦华 薄壁件加工变形的模拟仿真与补偿技术研究[学位论文]20069. 汤爱君 薄壁件高速铣削三维稳定性及加工变形研究[学位论文]200910. 李阳 薄壁零件铣削加工变形预测[学位论文]2008

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