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1、摘 要 薄壁回转体工件加工一直是机械加工业的一个难点，因为此类零件的刚度很差，加工过程中力变形、热变形比较严重，零件的尺寸精度和形位精度难以达到加工要求，废品率高，生产效率很低。本文根据高速切削和车铣技术的优越性，从建立切削薄壁回转体的动力学模型出发，应用大型有限元软件 Ansys对薄壁回转体工件进行了静力分析，模态分析，谐响应分析。并详细分析了在不同厚度时的薄壁件的固有频率的变化关系以及它的合位移等值线图的变化规律，从厚度 4一直切到 0.3。由静力分析得出，薄壁回转体所能承受的最大应力和最大位移量；由模态分析得出，薄壁件的固有频率与工件的厚度关系，并且和工件的材料与薄壁件的长度有关系，随着
2、厚度的增大薄壁件的固有频率也随着增大。由模态分析得到的合位移等值线图看出，薄壁回转体的各阶的固有频率处的最大变形有很大区别，因此在进行切削时就要选择好刀具的切削频率。在同一位置，若切削速度选的不好就可能和薄壁件的固有频率一样，引起共振；由谐响应分析得出，在切削的过程中，在什么频率下切削引起的共振振幅最大，在切削过程中应尽力避开这几个频率切削。关键词：薄壁回转体，车铣，有限元，静力分析，模态分析，谐响应分析目 录1 绪 论1 1.1 论文研究背景及意义1 1.2 国内外研究现状5 1.2.1 国内研究现状.5 1.2.2 国外研究现状.6 1.3 研究的内容及方法7 1.4 本章小结8 2 车铣
3、加工方法9 2.1 车铣加工的定义9 2.2 车铣技术的发展历史10 2.3 车铣技术的主要特点.11 2.4 车铣技术的主要内容.12 2.5 正交车铣运动学.12 2.6 车铣中的圆周刃、端面刃切削力.13 2.7 主要切削参数对圆周刃、端面刃切削力.16 3 薄壁回转体静力分析18 3.1 静力分析的基本概念18 3.2 静力分析的基本步骤18 3.2.1 建模.17 3.2.2 加载.17 3.2.3 观察结果和后处理.18 3.3 TC4 薄壁件的静力分析流程19 3.4 后处理.21 3.5 本章小结.24 4 薄壁回转体的模态分析25 4.1 模态分析的基本概念25 4.2 模态
4、分析的有限元基础25 4.3 模态分析的基本步骤.29 4.3.1 建模.29 4.3.2 加载.29 4.3.3 模态扩展.30 4.3.4 观察结果和后处理.31 4.4 TC4 薄壁件的模态分析流程31 4.5 后处理.31 4.5.1 同一厚度时不同阶的最大合位移量分析.31 4.5.2 厚度与不同阶固有频率关系分析.41 4.6 本章小结.44 5 薄壁回转体的谐响应分析46 5.1 谐响应分析的基本概念.46 5.2 谐响应分析的基本步骤.46 5.2.1 建模.465.2.2 进入 ANSYS 求解器47 5.2.3 观察结果和后处理.47 5.3 TC4 薄壁件谐响应分析流程4
5、8 5.3.1 建模及定义 TC4 薄壁件的材料属性及网格划分49 5.3.2 进行谐响应分析的设置.49 5.3.3 加载.50 5.3.4 观察结果及后处理和 1mm 厚度时振幅与频率之间的关系.50 5.3.5 比较 0.5mm 厚度和 1mm 厚度的薄壁回转体谐响应分析的结果53 5.4 本章小结.56 结论57 致谢58 参考文献59 附录 A 英文原文61 附录 B 汉语翻译 741 绪 论1.11.1 论文研究背景及意义论文研究背景及意义随着我国汽车工业，国防工业,航空工业的飞速发展和不断进步，各类薄壁回转体零件也不断涌现，薄壁回转体工件的精密加工却是机械加工业的一个难点，因为此
6、类零件的刚度很差，加工过程中力变形、热变形比较严重，零件的尺寸精度和形位精度难以达到加工要求，废品率高，生产效率很低。例如内燃机汽缸的汽缸套是内燃机中磨损最严重的零件之一，也是决定内燃机大修期的重要零件。随着人们对大功率轻质量小体积低油耗内燃机的不断追求，汽缸套变的越来越薄。如 4JB1 型柴油机的干式汽缸套，其外径为 95mm，壁厚仅为1mm，内外壁表面粗糙度 Ra0.2m，重要尺寸公差和型位公差均为 5 级。在该类工件的切削加工中，内壁镗孔，珩磨和外圆磨削等工序常常产生强烈的振颤，加工后的缸套内壁和外壁会留下波浪型的振纹，严重影响了加工质量。又如某新型号炮弹，其材料为铝合金，药腔体直径 2
7、00mm，壁厚仅为 2mm，且腔体壁上还有一个 40mm40mm 的方形通孔。现行工艺中在对其内外表面精车后，铣削方孔时工件常发生变形，废品率极高。纵上所述，影响复杂薄壁结构件加工变形的主要因素是：工件的原始残余应力、工件的装夹、工件的结构复杂程度、刀具的变形、工件受力变形、工件热变形、机床的精度与刚度以及其它因素等。在国外，随着高速切削技术的发展和应用，在航空制造中，一些大尺寸薄壁件，如：整体壁板、整体翼肋、整体隔框、以及变厚度蒙皮均采用数控高速铣削的方式加工，这些大尺寸的薄壁件减轻了飞行器的重量，提高了结构强度与生产效率。所以，严格控制切削时的加工变形误差是结构件满足工作性能、装配精度和工
8、作可靠度等要求的基本保障。由于结构件的弹性柔度特性（如某型号机翼大梁长约 10 多米） ，由切削力及切削应力所引起的构件弹性变形是不可避免的，同时这也是导致加工误差的主要原因。在设计阶段进行定量的分析，合理的进行工艺设计包括正确的选择加工工艺参数，以保证加工误差满足制造精度的要求。工艺设计和加工过程是产品生命周期中的两个重要的环节，工艺参数合理与否将直接影响加工效率和产品的质量。因此这两个环节间的信息交流和反馈对加工尤为重要。由于加工过程极为复杂，很难凭借经验对整个过程进行评估，因此，必须通过计算机仿真加以预测，以便对加工工艺和加工过程参数进行选择优化。对薄壁件用数控高速切削机床进行加工，如果
9、我们能够建立薄壁件加工时的预评估模型，掌握加工时的动力学特性对加工精度的影响。我们就可以以此为依据对加工工艺进行合理的优化。本课题旨在研究高速车铣薄壁件时的动力学特性对加工精度的影响、分析薄壁圆筒在加工时的受力，建立薄壁圆筒在加工时的振动方程，以及各个加工参数对加工变形的影响。因此开展此课题的研究具有很强的实际意义和很高的应用价值。1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状薄壁件的变形研究在国内外引起了广泛的关注，许多科技工作者在这一领域进行了深入的研究，提出了许多好的方案并应用于生产实践。1.2.1 国内研究现状目前国内已开展的薄壁件加工变形方面的研究，主要是结合生产实际，提出了一些加工过程
10、中某些具体工件或具体工序的解决方案，也对残余应力的测试总结出了一些原则另外对仿真作了一定的理论研究。这些研究虽然解决了一些加工中的具体问题，但一般是以过去的实践经验为基础，凭主观推理应用到新零件的加工过程中。各工厂大多以技术攻关方式解决了一些具体零件的加工变形问题，基本上对其它的零件加工没有太大的指导作用，也难以形成基本的工艺方法指导体系。浙江大学在这方面的研究主要针对工件受铣削力影响产生的应力和变形，另外对原始残余应力对加工变形的影响，装夹方案对加工变形的影响也有所涉猎，在加工变形误差计算方面，国内的蔡慧林【2】使用材料力学的梁弯曲公式，粗略的考虑了小尺寸铣刀顺铣时由于刀具弯曲变形所引起的工
11、件尺寸误差与刀具补偿措施，但由于模型过于简单，该方法只能用于定性研究模具等高刚度构件加工的建模，不适用与薄壁件的加工变形仿真。目前，北京航空航天大学的魏丽和郑联语【3,4】研究了改进薄壁件数控加工质量的进给量局部优化法，定性地提出将优化过程分为四步：修改切削参数、确定关键区域、确定边界点、修改刀位文件。南京航空航天大学的王志刚等人与成都飞机工业公司张平等人【5】合作在假设刀具为刚体的情况下运用 ARSYS 有限元软件模拟了航空零件典型结构方框铣削加工的变形和刀具补偿方法，根据定性的分析，假设了切削力的分布公式。之后，南京航空航天大学的武凯等人【6】在他的基础上更进一步提出了将工件和刀具都视为弹
12、性件，建立了工件和刀具的柔性模型，并用有限元软件进行了模拟与试验。在试验中他们采用的是真空吸附夹紧方式。南方航空动力机械公司谭彪和南京航空航天大学范炳炎【7】使用Algon SAP91 有限元系统对某型号飞机主梁的加工开展了有限元建模与变形分析。西飞国际数控中心李应时8在“准高速”切削条件下对某型机进气道唇口口框零件从工艺的安排上进行了分析，解决了工件加工的变形问题。北京卫星制造厂赵长喜、刘景祥9从组合工装的设计方面对某型卫星的舱体类零件进行了研究，等等。1.2.2 国外研究现状目前国外在复杂结构件的加工变形方面，常用的方法有应力分析控制法、薄壁件的低熔点合金支持法、夹具特性分析与夹紧优化分析
13、等。但是，影响因素的复杂性使航空复杂结构件加工变形成为飞机制造中的关键难点之一。在欧美发达国家也是如此，一些个别的变形控制技术则是金钱难以买到的机密。但有关子技术的类似问题己经有很多文献介绍研究成果：薄壁零件铣削表面误差的静态有限元分析和动态预报模型；应用神经网络进行数控机床热变形的补偿方法；利用试验和分析两种方法，来预测因装夹而引起的工件变形，并进行补偿等。从中可以看出，国外在工件的装夹、工件受力变形及机床的热变形对加工变形的影响方面做了一定的研究工作。例如，利用磁流变液相变迅速、屈服强度大等特点，Targ 研究了磁流变液柔性夹具的可能性。但由于典型磁流变液的屈服强度约为 100kpa,而这
14、对柔性夹具来说是不够的。Targ 采用加压的方法使磁流变液的屈服强度达到了 800kpa 以上，从而满足了精密加工所需的承载能力【8】。Gu 等人10在研究面铣过程工件变形误差的预估方法又进一步考虑了刀具、工件变形以及主轴倾斜因素的影响。此外，Masset 等人【11】使用 Kierzle指数切削力模型研究了车削与面铣加工变形误差的有限元计算策略问题，基于I-DEAS 软件强大的 CAD 建模与单元网格划分功能，将 I-DEAS 与 RASTRAR 求解器集成在一起。该方法已被应用于法国雷诺汽车公司的 pro-active 新款汽车齿轮箱部件的加工精度控制领域，取得了显著的经济效益。在周铣加工
15、方面，Elbetawi 与 Sagheriar【12】从刀具与工件的动力学角度出发建立了薄壁件变形仿真模型。工件采用 8 节点实体单元近似，铣刀近似为一系列轴对称旋转盘单元的集合，提出了加工参数与刀具几何参数的优化选取方法。Budak 和Altintas【13】深入研究了具有三边自由，一边固定边界条件的高柔度矩形薄壁板件的数值建模与铣削变形误差问题。该模型考虑了因材料的去除而引起的工件刚度降低的效应，同时对考虑刀具工件相互作用的柔性效应模型与不考虑该效应的刚性模型进行了计算比较和试验验证，发现对于柔性效应薄壁件模型具有很高的准确性，而刚性模型计算误差最大可达 50。此外，该工作还提出了通过调整
16、刀具进给速度减小加工变形误差的思路，并建立了满足公差要求的进给速度粗略近似比例计算方法。毫无疑问，该工作代表着目前最有成效的研究成果。另一方面，高速切削加工（High speed machining）过程的建模也得到了广泛的重视，oze【14】使用有限元非线性软件 DEFOM-2D 研究了切削应力、切削温度的分布状况。Fuh 等人【15】利用傅立叶级数展开方法研究了主轴转速、刀具进给量、轴向、径向切削深度与切削力的关系。但是，影响因素的复杂性使航空复杂结构件加工变形成为飞机制造中的关键难点之一。在欧美发达国家也是如此，一些个别的变形控制技术则是金钱难以买到的机密。但有关问题的子技术已有许多文献介绍：薄壁件铣削表面误差的静态有限元分析和动态预报模型；应用神经网络进行数控机床热变形的补偿；利用试验和分析的方法，来预测因装夹引起的变形，并进行补偿等。从中可以看出，国外在工件的装夹、工件受力变形及机床的热变形对加工变形的影响方面做了很多的研究。1 13 3 研究的内容及方法研究的内容及方法薄壁零件刚性差，在加工过程中因受到切削力、夹紧
