铝合金数控加工与夹具设计硕士学位论文(编辑修改稿)

铝合金数控加工与夹具设计硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

内；不论是顺铣还是逆铣，要保持恒定；机床要有承受切削速度和加速度 能力；减少空程移动；避免突变的材料切除率；最短化切削时间。 针对实际的高速加工零件，在路径路径编制过程中要参考文献 [7]中给出的原则设计刀具路径，主要内容有 : （ 1）进刀方式采用螺旋式或者圆弧式，并且是缓慢切入，其目的其尽量避免突变力的产生和延长刀具的使用寿命。 （ 2）切削要连续平稳，速度上要择取适当且要连续。 目的是避免突变出现。 （ 3）为保障切削过程产热少、切削力度小和排屑顺畅，需选择小轴向切深。 (4)顺铣是高速切削的首选，其所具有的特点有，加工过程稳定，对刀具损害小，加工出来的工件的见面质量最好。 机械化时代的到来，对生产效率有了一定程度上的要求，这是供求关系导致的，针对提高一个零件加工速度，主要从两个时间来提高，即实际切削时间和刀具空行程时间，若想减少一个零件的加工时间，提高生产率，需要同时将两种时间缩小，其可实行的策略其合理安排刀具加工路径，也就是说要 尽量的优化路径，尽量减少空行程时间。 充分研究和优化刀具路径对大量加工构件有相当重要的意义。 路径优化问题是一个数学问题，其 优化 的目的是让道具在所有的路径中选择长度最 短 的走，在刀具加工的区域是点集，这样问题就可以利用数学上的旅游商问题来解决这个刀具路径有话问题。 数学上对旅游商问题的描述是这样的：有一盒旅行售货商要从他所在的城市出发，到周围的几个城市出售货物，每个城市去一次，最后回到出发点，求他的一条最短路径。 对TSP(traveling salesman problem)做扩展，就可以形成一种节点可变的广义 的旅行商问题（ generalized traveling salesman problem，简称 GTSP）。 文献 [8][9][10][11]在对路径有话方面的研究都是采取了旅行商问题模型，并且寻找到了解决刀具加工是存在的诸如路径冗长、效率低下等问题。 在文献 [9]中利用平面多轮廓加工路径优化模型，实时的对目标函数做了优化，并给出结束条件。 针对路径有话的方法，除了使用旅行商模型，还有其他的模型可以进行有话。 在文献 [12]中，是运用一种遗传算法对刀具路径排布的有话，文献 [13]是空群规律性排布下的正交优化方法。 并且提出此种方法可以提高加工精度。 文献 [14]给出可以解决切削槽加工中刀具路径有话的问题的奇数偶数点图作业法和最小权对集法。 文献 [15]则针对孔加工路径问题将其分为两类做路径优化，分别是同类孔加工的路径优化和非同类的混合加工路径优化。 同类的采用路径最短化优化和 X 方向优化路径等，针对不同类型的混合加工的则是从工序上和路径双方向来考虑。 构件加工中的装夹技术 装夹技术的发展对工件的加工精确度有很大的帮助，在加工过程中，装夹就是对毛构件定位和夹紧工件。 针对铝合金薄壁构件高速加工时所需的夹具，设计时除了 要有基本的功能外，还有考虑到铝合金本身刚性差的缺点。 正是由于这一不足，加工过程中产生的装夹力、残余应力等都非常容易使构件变形，除此之外，对于薄壁构件，其装夹位置、装夹顺序及其方式也是产生工件变形的原因，但是，在众多影响工件变形的因素中，装夹时产生的应力对变形的影响大约占据 20－ 60％。 对此，大部分学者把铝合金构件加工过程中变形问题视为瓶颈问题。 但是，对夹具的设计也是加工铝合金薄壁构件必须要做的一项工作，也是重中之重的工作。 4 在国内针对薄壁构件装夹方案的研究有很多，主要的研究的内容是对其做进一步的优化和改进， 如为避免部分变形过大，并且让其趋于变形均匀化，改变支撑力的数目，让处在集中作用力的支撑分散受力；改变力的作用位置，合理分配夹紧力和支撑力的作用面，具体说，在刚性良好的表面尽量受夹紧力作用，在刚性差的表面让其受支撑力作用；改变力的大小，在力的数目和位置确定以后，尽量选取小的夹紧力。 针对装夹方法问题上，有多数的学者提出了不同于传统意义上方法。 文献 [21]中提到的射流法，其主要是用来加工大型薄壁构件时控制变形的，工作机理是，在切削敏感方向使用高压液体，对准正在加工的工件部分喷射，这样以来，可以起到浮动支撑作用， 进而可以有效的减少切削力产生的加工变形。 文献 [3]提出在加工过程中使用一种辅助支撑的方法。 文献[22]则是针对航空薄壁构件加工而提出使用拉伸装夹方法，并且结合有限元软件对其过程中产生的残余应力做数据模拟。 文献 [24]是直接利用有限元分析方法，对加工工件时使用的装夹方式做模拟来观察其对加工造成的影响。 基本前提是加工工件表面所需的残余应力存在，从控制构件加工变形的角度出发，对装夹方案做优化。 如此所得到的结论是，框类零件的加工采用拉伸式装夹是可以的，但是，若想将构件变形控制在要求范围内，需要在操作中将拉伸力尽可能 取小，模具的拉伸距离尽可能取大，并且拉伸位置最好不要超出刚性良好的位置，除此之外，也要考虑到拉伸装夹位置和顺序、拉伸力等对工件精度的影响。 在另外一部分学者中提出使用柔性夹具，就是在加工构件时将型腔内注入液体，进而提高构件刚度。 在文献[24]中，提出并且论证了在加工薄壁构件时使用磁流变夹具可以达到预期效果，其工作流程是：加工构件外部，其内部需要注入磁流变液，然后通磁，此时，内部液体会变成固体，将工件夹紧，达到减小工件变形的效果。 完毕后，断磁，去除磁流液体，完成构件的加工。 有限元分析在构件加工中的 应用 在国际上，针对金属构件的加工过程进行有限元分析的研究早已存在。 1940 年，关于金属切削机理的研究， Mechant， Pilspanen 等人对其建造了金属切削剪切角模型，同时给出了剪切角和前角关系。 随着计算机技术的不断进步，有 限 元软件不断额成熟，并且在当前逐渐成为模拟金属加工过程的有力工具。 Lajczok 于 1980年建立正交切削模型，并且从实验中得到，在忽略切屑的前提下获得了切削力。 1984 年，人们对工件材料进行假设，将其理想化为钢塑体，然后利用有限元对其进行模拟，内容是低速切削和低应变下的稳定切削过 程。 另外一批人诸如Strenkowski和 Carroll等人则是将其定义为弹塑体，并且定义切屑和刀具的接触面为绝热面，通过分离原则为等效塑型应变切屑，分析刀具、构件、切屑之间的温度、应力和应变的变化。 有限元技术的不断发展，所作用的领域也在不断的扩大，普通切削加工和精度要求比较高的切削加工都可以使用。 1993 年 Moriwaki等人使用有限元方法对无氧铜的微切削过程做了模拟，主要研究内容是刀具与工件之间温度的分布情况。 在最近，台湾科技大学的 Ship－ Peng Lo 等人对超精度切削过程中切削热对切削力和工件变形 的影响做了研究。 起步晚的中国当前正处在探索阶段，其科研成果也是显著的。 文献 [33]是以钛合金航空构件为例，利用有限元方法，对周铣加工过程中切削力变化和表面变形的误差分析做系统的研究，同时提出一些关键性的技术，如三维下非规则网格的刀具和工件变形的耦合叠加格式以及恒定网格下材料去效应的变刚度处理方法等。 文献 [34]是研究薄壁构件变形特点，将处在不同的切削区的切削模型做实验文献 [35]是通过理论分析了航空薄壁构件在加工时的变形机理，同时建立了铣削力学模型。 文献 [36]是研究铣削过程中让刀误差和优化铣削参数， 其例子是薄壁板，在高温下拉伸或者压缩获取材料力学性能为前提，建立薄壁板铣削加工过程的热力耦合有限元模型。 通过模拟并且分析螺旋立铣削刀与零件加工时之间的作用力的关系，获取铣削刀的力的变化曲线和因力所产生 铣削热的分布状况，进而依据曲线分析得到在刀具与工件之间的物理作用对壁板随刀具的旋转 5 进给运动而产生让刀变形，最终得到薄壁板在高速加工过程中产生的最大让刀误差。 对此有限元模型的结果分析得，若要减小让刀变形，需对薄壁件铣削用量和刀具的几何形状做优化处理。 针对这方面的研究，其方法雷同，都是借助有限元软件对其进行分析 ，并且模拟出高速切削加工过程中出现的工件变形、切削、应力分布、温度场等。 文献 [37]中，按照 ANSYS 软件的使用要求，对工件做了诸如建模、网格划分、设置边界条件、添加荷载、求解器计算等步骤，然后分析了刀具和工件的受力情况。 文献 [35]中是依据弹塑性理论为基础，建立起材料的应变硬化模型，然后借助有限元仿真技术，使用 ansys软件可以生成二维正交金属切削过程中剪切层及其切屑而进行模拟仿真，且从其分析的结果中获取了应力应变云图和网格的变形图，进而找出切屑的形成过程和分析了剪切层的出现、刀具和工件的应力以及切屑层的应变变化情况。 文献 [39]是借助 软件对高速切削过程下加工的薄壁构件用弹塑－热耦合有限元方法进行有效模拟，研究其变形区域内的温度、应变、应力和切削力的分布。 并且通过是结果得出结论是：在 2D 平面应变结构中，在热祸合的情况下，其在刀具前方的变形区内和刀具经过的表面内的主要应力是残余应力，其数值是非常大。 文献 [40]则是利用新拉格朗日方程对高速金属切削加工过程做了模拟，并且在刀削接触表面上建立两类模型，即粘结滑移摩擦模型和库伦摩擦模型。 在两种模型中，对切削力、切削厚度、刀削接触长度和吃刀抗力做模拟获 取预测数值，然后与相关文献的检测结果做比较分析，结论是粘结滑移模型优于库伦模型，更加与实际情况相吻合。 也就是说，刀切屑接触表面上在高速加工过程中会同时存在粘结和滑移摩擦。 文献 [42]是采用 Johnson2Cook（ JC）模型对工件材料做模拟，采用的失效准则是 JC 破裂模型，利用建立起来的有限元模型，分析了四种不同切削条件下的材料加工时切屑的形成过程，获取了是相应情况下的切削力，并且进行对此分析，得到了相同加工条件下不同的不连续状的切屑的形成，从切屑形成机理上，其不连续状切屑的与在自由表面破裂的锯齿状切屑的是不 相同的。 本文主要研究目标、内容和方法 研究目标 研究对象是波导器件 ，使用的方 法是通过理论分析、数学建模、数值模拟和试验对高速加工中刀具选择、走刀路径、夹具设计和切削参数等基本加工工艺做一定程度的研究。 研究内容 （ 1） 铣刀在高速状态下的选用及其参数的设置 在高速加工过程中，刀具各个部分的离心力同切削力作比，前者远远大于后者，这就从侧面说明处在这样的状态下加工构件，需要刀具具备一定的要求，具体对刀具做出的规定要求要根据加工材料的不同而定，其规定做出要求的刀具方面是，构成材料、制定的形状、 尺寸的大小和加工过程的情况。 之所以对刀具做诸多的要求，主要是因为在高速加工过程中刀具发挥着重要作用，高速加工过程中最重要的一步则是在有效合理的选择刀具上。 刀具的决定因素如下：刀具的形状要顺从构件特征； 其形状由最小圆角确定 刀具的尺寸参数；刀具的品牌或者说刀具的类型，要依据当时市场情况和使用寿命而定；最后组合与整个机床工作，这其中要在完成几何特征加工的基础上，让其切削力和构件变形最小化。 （ 2）合理的选择走刀路径 传统意义上的 NC 程序不能满足当前处在高速加工下的路径选择，在高速加工下，其特殊环境下的铣削在控 制上具有复杂性，若想保证高速下切削设备的合理运作，刀具的走刀路径的合理制定是首要考虑的。 假设使用了不合理的走刀路径，高速铣削会对刀具和机床造成重大的破坏性，刀具的寿命和机床的局部或者整体都会有很大的影响。 因此，在此方面要注意以下几点，刀具路径要平稳恒定，下刀要注意避免直入，而采用圆弧下刀或者斜下刀，端点处要连续等。 6 （ 3）专用夹具设计和工件安装方案的制定 铝合金构件自身所具有的刚性差，受力诸如切削力、夹紧力和残余应力等的作用容易变形，因此，若想保证构件的质量，关键是要控制好其变形，而控制的主要措施是装夹方 案的制定。 初步定位构件和确定夹紧方案的依据是理论上的分析，然后借助 ansys 软件对受力情况和工件变形情况做模拟分析，最后通过实验来验证，确定方案，将加工的构件变形控制在允许的范围内。 研究方法 （ 1）理论分析 依据是金属加工原理，分析薄壁构件的结构特点及其加工难点，找出构件变形原因，优化刀具路径和设计夹具等。 （ 2）数值模拟 通过数值模拟可以分析出工件的变形情况。 存在的问题，如何简化加工模型、如何建立有限元模型、 ansys 软件中如何建模等一系列的操作。 （ 3）试验验证 最为有效的研究方法就是试验 ，论文中所涉及到的此类研究有刀具路径优化、设计试验方案、数控程序编制和现象分析，最终得到切削加工参数。 通过理论分析和试验验证，得到控制构件变形的有效措施。 第 2 章 构件工艺分析及其选择刀具的研究 7 概述 刀具的选择在高速加工中有些举足轻重的地位，也是至关重要的一步。 之所以要严格选择刀具是因为高速加工中刀具各个部位受到的离心力要远远的超出切削力的作用。 如图 所示，影响刀具选择的因素主要有 12 种因素。 工件材料工件形状工艺特征机 床 设 备赶 工 条 件加 工 要 求刀 具 品 牌刀 具 参 数刀具选择原料刀具寿命理论分析切 削实 验刀 具 选 择 图 影响刀具 选择的因素 零件材料与结构特性 零件的材料属性 表 的化学成分 合金元素 % 杂质 % 不大于 Cu Mg Al Mn Fe Si Zn Ni Ti Fe+Ni else 工件材料选。