航空整體結構件高效銑削加工基礎研究及應用.pdf

1、航空工業(yè)具有產業(yè)鏈長、輻射面寬、聯帶效應強的特點，是引領科技發(fā)展的重要國家戰(zhàn)略性產業(yè)。隨著航空先進材料性能的不斷提升，大幅減輕了航空產品的結構重量，提高結構強度和損傷容限，增強抗腐蝕性能，使結構件的服役性能大幅提升。以最大限度提高結構效率為主要目標的結構設計整體化、輕量化和模塊化已經成為先進航空零件普遍采用的結構設計，其制造客觀上要求具有高材料去除率的加工工藝，以滿足零件對生產效率的要求。航空先進材料價格高昂，普遍切削加工性較差，造成航

2、空整體結構件制造工藝性較差，生產效率低，制造周期長，制造成本增加，對航空制造業(yè)提出嚴峻的挑戰(zhàn)。而且，航空整體結構件結構剛性差，加工過程易發(fā)生切削顫振和加工變形，需要優(yōu)化加工參數，保證加工質量，形成具有高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的成套制造工藝。航空整體結構件的高效精密加工技術已經成為衡量國家航空制造水平的重要標準。
　　目前，國內缺乏系統(tǒng)研究航空整體結構件高效加工技術的研究工作，缺乏能夠在生產實踐中提供科學指導的切削加工物理模型，缺

3、少對機械加工系統(tǒng)動態(tài)性能及其對切削加工穩(wěn)定性影響的研究，特別對于航空整體結構件復雜結構特征所具有的動態(tài)性能變化對加工穩(wěn)定性影響的研究還比較少。因此，研究航空整體結構件的高效切削加工技術需要對實現高效加工的約束條件進行建模預測，切削力和切削加工穩(wěn)定性是高效切削加工技術最基本的約束條件。在切削加工系統(tǒng)約束條件和邊界條件下尋找加工參數可行空間，綜合考慮加工成本和加工質量的基礎上尋求獲得最大加工效率的優(yōu)化加工參數。
　　本文首先針對銑削加

4、工力熱耦合建模進行研究。建立了斜角切削幾何模型，并采用最小能量原理進行求解。然后對三個加工變形區(qū)分別進行了研究分析，求解第一變形區(qū)剪切應力，第二變形區(qū)摩擦力和第三變形區(qū)產生的刃口力。根據斜角切削模型，轉換求解對應的切削力系數。結合離散銑削力微元模型，求解并預測瞬時銑削力。該方法彌補了傳統(tǒng)的半解析方法實驗獲取切削力系數必須針對不同的刀具和材料組合重復進行實驗的不足，可以減少重復銑削實驗帶來的材料浪費和人力消耗，為銑削力預測的實際應用提供了

5、有利條件。
　　本文研究了切削加工動態(tài)力學建模和穩(wěn)定性分析，根據切削加工系統(tǒng)的結構模態(tài)特征，綜合考慮銑刀徑向跳動，刀具變形和振動對未變形切屑厚度的影響，以及未變形切屑厚度的動態(tài)再生效應，建立動態(tài)銑削力模型。分析了切削加工系統(tǒng)各參數對切削加工穩(wěn)定性的影響，并在飛機水平尾翼鈦合金接頭精加工刀具選用和工藝參數優(yōu)化中進行了應用。
　　本文提出了實現航空整體結構件高效加工的主要策略，提出了實現航空整體結構件高效數控銑削加工的基本方案。

6、通過對切削加工穩(wěn)定性基礎理論進行擴展，建立了基于銑削加工穩(wěn)定性和機床性能約束的大余量高效銑削加工工藝優(yōu)化方法和基于切削加工系統(tǒng)剛度動態(tài)變化條件下的高效精加工工藝優(yōu)化方法。針對大型客機平尾后梁緣條零件和接頭零件的特點，將上述工藝優(yōu)化方法應用于兩類零件的粗加工和精加工工藝優(yōu)化，在現有機床性能條件下，實現了零件的高效粗加工；同時根據加工系統(tǒng)剛度的動態(tài)變化，研究了動態(tài)剛度條件下的切削加工系統(tǒng)三維穩(wěn)定性Lobe圖，建立了無顫振切削加工參數尋優(yōu)空間

7、，提出了變轉速無顫振加工工藝方法，實現零件高效精加工。
　　最后，本文研究了切削加工工藝的經濟性評估方法，提出了切削加工經濟性的粗加工和精加工分類評估方法，建立體積成本系數作為切削加工粗加工工序的經濟性評估指標，面積成本系數作為切削加工精加工工序的經濟性評估指標，分別表征切除單位體積或單位面積材料所消耗的費用。這兩個指標綜合了機床費用，工人費用，刀具費用，材料去除率，加工時間等因素對制造成本的影響，為加工工藝的優(yōu)化決策提供重要經濟