一类流线型曲面高效数控铣削加工方法研究及应用

针对一类典型流线型曲面——叶片的高效数控铣削加工方法研究,提出了基于加工系统动力学仿真分析的高效切削参数优化技术,该方法是提高切削加工效率,保证零件加工精度和表面质量的有效手段.首先,辨识得到加工零件材料的铣削力系数;其次,利用锤击试验分别得到机床-刀具系统及弱刚性零件结构的动态特性,同时利用有限元方法进行模态分析,并与试验结果进行对比分析,可辅助验证锤击试验结果的正确性,在此基础上仿真得到铣削颤振稳定域曲线,然后对建立了基于加工系统动态稳定性的高效数控铣削加工参数优化系统进行高效铣削参数优化;最后,依据优化的铣削参数制定零件铣削加工工艺,试验得到了加工质量合格的叶片,其加工效率较传统方法有显著的提高.     

基于Z-map模型的球头铣刀铣削力建模与仿真

对球头铣刀铣削力建模进行了研究。在Z-map仿真模型的基础上,提出了识别加工中参与切削的切削刃单元的方法,通过考虑刀具偏心和刀具变形对瞬时切削厚度的影响,推导出了瞬时切削厚度的表达式,由铣削力和切削负载之间的关系,建立了球头铣刀三轴铣削力仿真模型。铣削力仿真计算与铣削实验的对比表明在考虑刀具偏心和刀具变形后所建立的铣削力模型能够对铣削力进行准确的预测。     

基于真实刀位轨迹的铣削厚度建模

瞬时未变形切削厚度是决定铣削加工切削力预测精度的一个重要参数.现有铣削力预测方法中,通常采用圆形轨迹逼近铣刀刀齿的运动轨迹并进行未变形切削厚度的计算.铣刀刀齿的实际运动轨迹为摆线轨迹,采用圆形轨迹近似必然造成在计算未变形切削厚度时存在误差.为获得更精确的铣削力预测结果,本文提出了一种基于刀齿真实轨迹的未变形切削厚度计算方法.通过计算铣刀刀齿的真实摆线运动轨迹,推导出未变形切削厚度计算的超越方程.通过对该超越方程的数值求解,得到了准确的未变形切削厚度.最后,通过算例分析及对比验证了所提方法的有效性.     

高速铣削铝合金7055铣削力和铣削温度的仿真研究

采用有限元分析软件AdvantEdge模拟了航空铝合金7055高速铣削过程,获得了单个刀齿高速加工中铣削力变化曲线,预测了不同切削时间下工件及刀具上的温度分布,获得了刀具前刀面和后刀面的温度分布曲线;建立了高速铣削参数对铝合金7055铣削力和铣削温度的影响曲线,可辅助优化切削加工参数,有助于减小切削过程中刀具的磨损,改善刀具切削状态,提高刀具使用寿命.     

单向CFRP螺旋铣削力建模

螺旋铣削加工工艺具有降低轴向力,改善排屑、散热条件等优点,螺旋铣削力是其重要过程指标之一。对单向CFRP螺旋铣削力建模方法展开研究,预测给定加工参数下的螺旋铣削力。首先,通过对螺旋铣削过程进行运动学分析和切屑几何分析,建立了螺旋铣削过程中侧刃、底刃动态切屑层模型,纤维切削方向角度模型和动态切削力计算模型。然后,分别通过侧刃直线槽铣实验和底刃半齿插铣实验,对各个切削方向角度下侧刃、底刃切削力系数进行了标定,并利用人工神经网络对切削力系数进行拟合。最后,将标定所得的切削力系数代入动态切削力计算模型中,建立了单向CFRP螺旋铣削过程动态切削力预测模型,并通过实验验证了模型的准确性。与现有模型相比,该模型不仅能够预测刀具螺旋运动周期内的切削力变化情况,还可以对每个刀具自转周期内的细节进行预测,通过考虑纤维切削方向角度对切削力系数的影响,反映了单向CFRP材料的各向异性,较为准确地预测了螺旋铣削力。     

立式铣刀结构参数分析与加工仿真研究

航空航天领域大量使用的薄壁叶片等复杂曲面零件,多采用立式铣削方法加工制造。增大刀具与工件接触可以提高加工效率,但刀具的结构参数对铣削质量影响较大。建立铣削力学模型,对立式铣削加工进行分析,确定铣削加工过程中的主要影响因素是铣刀螺旋角、铣刀直径和铣刀刃数。采用AdvantEdge FEM软件,以单变量因素进行铣削有限元仿真,分析铣削力、加工形变、应力应变等影响。结果表明:铣刀螺旋角增大,铣刀半径增加,铣刀刃数增加,可有效地改善刀具应力和形变,增强刀具振动的稳定性,提高加工质量。     

TC6钛合金整体叶轮数控铣削工艺

为提高ＴＣ６钛合金航空发动机整体叶轮零件曲面数控铣削效率与加工质量,采用正交实验方法,研究并分析了球头铣刀几何参数对零件切削表面硬化层及其后刀面磨损的影响,发现三维曲面铣削时刀具不同的现象,并依此提出了切实可行的ＴＣ６航空发动机整体叶轮零件数控铣削工艺。     

刀具刚度对钛合金超薄侧壁加工变形的影响

以控制钛合金超薄结构件的加工变形、获得良好的表面加工质量为目标,基于薄壁零件加工变形理论模型与铣削加工试验,研究分析了刀具刚度对钛合金超薄侧壁结构加工受力变形及表面粗糙度的影响。通过对比分析刚度刀具铣削钛合金超薄侧壁结构时的加工尺寸精度、表面粗糙度以及切削力,发现合理增加刀具刚度可以有效改善超薄壁结构的加工尺寸精度及表面质量。     

基于响应曲面法的高速内冷铣削AISI304不锈钢铣削力

针对硬质合金刀具高速内冷铣削AISI304不锈钢时,切削力大、切削温度高及加工表面质量低的问题。基于响应曲面中心复合设计方法进行高速内冷铣削实验,建立了铣削力分量二阶回归预测模型,并进行了实验验证。对比了干式与内冷铣削后的加工表面质量,分析了铣削参数对铣削力分量的影响规律,以铣削力分量最小为目标优化了铣削参数。结果表明:进给力和径向力的预测值与实验值的误差分别为4. 77%和6. 16%;内冷铣削的Ra为0. 193～0. 327μm;对铣削力分量的影响是铣削深度转速进给量,随着铣削深度和转速的增加,进给力先升高后降低,径向力逐步增加,铣削深度与转速的交互作用对进给力和径向力的影响显著;转速11 643. 63 r/min、铣削深度1 mm、进给量0. 08 mm/r为最优铣削参数组合。     

PH13-8Mo插铣铣削力建模与分析

插铣可降低径向切削力,减小工件变形,降低机床功率消耗,可实现难加工材料高效加工,其应用也越来越广泛。本课题针对沉淀硬化不锈钢PH13-8Mo的切削特点,搭建了切削力测试试验平台,采用正交方法设计了试验,运用多元线性回归方法对试验结果数据进行了拟合,建立了PH13-8Mo的插铣铣削力经验模型,对插铣铣削力随切削参数的变化规律进行了分析,并进行了试验验证,为研究沉淀硬化不锈钢的插铣过程提供了依据。     

铣削加工工艺力学机理研究

结构件数控铣削加工技术广泛应用于航空航天工业中。铣削加工中,不合理工艺参数下的切削力会引起较大刀具-工件变形及加工颤振,极大影响着加工精度和质量。深入研究工艺过程的力学机理,进而采用建模仿真技术来优选工艺参数,对高效高精度加工技术的实现具有重要意义。本研究围绕切削力建模、动力学建模与颤振稳定性分析以及变形误差预测与控制技术等相关工作进行介绍。     

薄壁件铣削过程加工变形研究进展

机床加工性能和刀具切削性能的发展使得薄壁件的高效率和高精密加工成为可能，也使得薄壁件在航空航天领域得到更广泛应用。薄壁零件结构复杂、刚度低，在铣削过程中易发生变形，因此精准预测与控制薄壁件的加工变形是机加工领域亟需解决的工艺难题。通过对薄壁件分类以及加工工艺分析，归纳总结引起薄壁件加工变形的因素，对加工变形影响最为关键的铣削力计算模型进行简述；结合国内外薄壁件变形预测与控制方法的研究，以弹塑性和数值模拟方法对薄壁件加工变形进行预测，通过加工工艺优化、辅助支撑技术、高速切削技术和数控补偿技术等方法对薄壁件加工过程的变形量进行控制；基于数据驱动数字孪生体的更新迭代，实现薄壁件实际加工过程的孪生及薄壁件变形预测与控制，构建了以数字孪生为平台的薄壁件加工变形预测与控制理论框架；最后对数字孪生在薄壁件加工变形预测及控制的发展与应用提出展望。     

基于切削力信号-几何信息-工艺信息的铣削加工刀具状态实时辨识

刀具状态的实时辨识对提高数控加工效率和质量、降低加工成本具有重要作用。对于单件小批量生产模式下的复杂零件,加工过程中的几何形状和切削参数不断变化,为刀具状态的准确辨识带来很大挑战。针对以上问题,提出了一种基于切削力信号-几何信息-工艺信息的铣削加工刀具状态辨识方法。采集加工过程中不同刀具状态的切削力信号,并对其做时域和时频分析,提取切削力信号的特征量,与加工工艺信息和零件几何信息相关联,建立输入向量,构建基于BP神经网络的刀具状态辨识模型并训练,在实际加工中通过神经网络模型实现刀具状态的实时辨识。经过试验验证,该方法可以基本满足铣削加工刀具状态的实时辨识。     

氮气介质下钛合金铣削特性的分析研究

提出了用氮气作为切削介质的绿色加工技术,并通过试验设计,分别在干切削和以氮气为介质的切削条件下,对铣削钛合金的铣削力及刀具的后刀面磨损进行了分析研究,最后对试验结果进行了讨论。     

钛合金径向超声振动铣削表面粗糙度研究

为提高钛合金零件加工质量,设计了径向超声振动辅助铣削试验装置,研究了切削速度、切削深度、进给速度和超声振动幅值对钛合金零件表面粗糙度的影响规律.试验结果表明,与普通铣削相比,径向超声振动铣削后工件上的刀痕更加平整、分布更加均匀,材料去除更彻底,有效减少了由于钛合金切屑粘刀造成的表面划痕和积屑瘤等现象.在不同的切削参数下,径向超声振动铣削均可以改善钛合金零件的表面粗糙度,这一点在低速切削时更为明显,而超声振动幅值过大或过小都会影响加工质量.对加工系统的切削力进行了分析,发现超声振动辅助铣削时系统的切削力明显减小,有助于提高加工系统的稳定性,从而能够获得较好的表面质量.     

航空铝合金铣削加工中切削力的数值模拟研究

为了弥补当前斜角切削数值模拟多采用直线刀刃的不足,结合立铣加工的实际情况,提出了适合立铣加工的螺旋齿单刃斜角切削有限元模型,进而对航空铝合金7050-T7451进行了铣削加工切削力的数值模拟研究,得到了切削力值。通过铣削力实验测得了同样切削条件下的铣削力值,数值模拟结果与实验值比较吻合,从而证明所建立的有限元模型是正确的,可用于预报铣削力值。铣削加工切削力的数值模拟研究为航空铝合金切削加工的工艺参数优化、刀具的合理选择及其优化设计奠定了基础,同时也为进一步有效控制整体结构件的加工变形提供了新的研究手段。     

SiC_p/Al复合材料高速铣削切削力模型建立

使用聚晶金刚石(PCD)刀具并采用正交试验设计法,对含不同体分比的碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/2009Al)进行高速铣削试验。在测量切削力和切屑厚度的基础上,建立了剪切角、剪切应力和摩擦角的预测模型,并结合金属切削基本理论公式建立了切削力的预测模型。该模型包含铣削速度、每齿进给量、径向切宽、增强颗粒体分比等重要参数,模型对进给方向最大铣削力预测值的平均误差为5.9%,对铣刀径向切深方向最大铣削力预测值的平均误差为9.2%,皆高于普通经验公式的预测精度,从而可对SiCp/2009Al复合材料高速铣削时的铣削力进行有效预测。     

航空薄壁件铣削加工动力学仿真技术

薄壁件铣削是航空工业中最常见的加工方式。航空薄壁件铣削工艺系统固有的弱刚性特点易引起切削颤振和变形,极大影响加工质量和效率。研究航空薄壁件铣削加工动力学仿真技术,指导工艺、刀具参数优选,对高质高效加工技术具有重要意义。围绕薄壁件铣削加工动力学仿真中的刀具-主轴系统动力学建模、切削瞬时薄壁件动力学建模及铣削过程动力学建模等技术进行介绍。     

考虑刀具偏心的微铣削加工表面粗糙度预测模型研究

基于微铣削刀具轨迹建立了考虑刀具偏心、最小切削厚度的塑性材料微铣削底面粗糙度的预测模型,预测结果表明粗糙度表面形貌呈锯齿状,刀具偏心会影响表面粗糙度的形貌周期和高度,并进行微铣削加工实验,对粗糙度预测模型进行了验证。采用回归统计方法,建立了脆性材料微铣削加工表面粗糙度预测模型,对加工表面形貌进行观察,利用响应曲面法得到了各铣削用量对表面粗糙度的影响规律。     

基于运动学的高速高精密铣削力建模：综合模型与试验

高速高精密铣削加工中铣削力是最重要的过程参量之一,铣削力信息的准确反馈对保证加工过程中的稳定性具有十分重要的意义。然而,影响铣削力大小的因素有很多种,目前缺乏一种考虑多种因素下的综合铣削力模型。因此,着重研究并综合考虑了刀具磨损、刀具跳动、刀具弹性变形对瞬时切削厚度的影响,同时分析了弹性变形对刀具切入与切出角的影响规律,改进了刀具瞬时切削厚度模型。基于运动学分析,将切削刃位置与预加工工件形态相互统一,建立了综合铣削力模型。为验证所提出综合模型的精确性和通用性,进行铣削实验,实验结果表明,铣削力预测值与实验值吻合较好,铣削力误差值小于1%,并通过分析刀具磨损与铣削力之间的相互变化关系,得出进给方向上的铣削力与Z向的铣削力系数对刀具磨损的影响最大。因此,切向力分量以及Z向的铣削力系数的变化特征可以较好的表征刀具磨损状况,从而提高铣削加工精度和效率。