基于三维斜角铣削仿真技术的加工顺序优选方法研究毕业论文(编辑修改稿)

基于三维斜角铣削仿真技术的加工顺序优选方法研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

xx 年之间，由于经费、设备及材料等方面的问题严重制约了研究工作的深入，这直接造成了我国基础制造业，尤其是航天等工业的发展滞后。 铣削力模型 铣削力是影响铣削过程的重要因素之一。 由于不同的材料、不同的加工条件其物理学模型是不同的，为此，要研究航空结构件的加工变形问题就必须建立针对这种具体材料的铣削力模型。 综合国内外相关的资料可以看出，到目前为止，加工界对铣削力的研究无论在理论上还是在试验上都取得了重大成果。 在理论研究方面，由于理论公式能相当充分地反映切削过程，可以解释切削过程的许多现象，为此，国内外学者对计算切削力的理论分析做了大量工作，并 5 且取得了许多卓有成效的研究成果，大大丰富了切削理论的内涵。 1941 年， Ernst和 Merchant 在剪切理论的基础上，提出 “最小能量 ”说； 1951 年， Lee 和 Shaffer在材料理想塑性的假设下，采用滑移线场理论对切削过程进行了分析研究，建立了滑移线切削模型。 前述的切削模型对材料的加工硬化没有给予充分的注意，1967 年， 提出了一种平行边剪切区切削模型。 Oxley 的切削模型可以很好地说明从低速切削到高速切削的大量的试验结果。 近年来，随着计算机模拟技术的发展，国外一些学者 [28]利用有限元软件（如 ABAQUS、 DEFORM、ADVANTAGE、 MARC 等）建立 切削力分析计算模型，这些模型在一定程度上为新设备、新工艺试运行提供了可预测的切削力量级，具有很高的参考价值。 我国的业内学者也自建国以来对金属切削过程进行了科学研究，相继建立起了各种计算切削力的理论方程。 尽管很多学者对计算切削力进行了大量的理论分析，试图从理论上获得切削力的计算公式，以服务于生产。 但由于切削过程的复杂性，迄今为止还未能得出与实测结果相吻合的理论公式；因而在生产实践中仍采用通过试验方法所建立的切削力经验公式。 在试验研究方面，国内外学者从车削力研究出发，通过大量试验，由车削测力仪测得车削力后，用 数学方法对所有数据进行分析处理，从而建立起计算车削力的经验公式。 近年来，随着计算机技术和电子技术的发展，特别是数控铣削加工在机械加工领域的广泛应用，大多数学者又在铣削力、钻削力的试验研究方面取得了一定的突破，设计制造了精度很高的三向铣、钻削测力仪，并得数据直接传输给计算机进行进一步的数学处理，进而在车削力经验公式的基础上建立计算铣、钻削力的经验公式。 近年来，随着测试技术的完善，相继研制出三向动态铣削、钻削测力仪，为切削力的试验研究提供了更大的应用空间，如南京航空航天大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等一 些高校院所在这方面都进行了极为有意义的研究。 同时，有些学者还将模糊控制、神经网络及模拟仿真等高科技手段引入切削力研究领域并取得一定的科研成果，从而对切削力的深入研究起到了重要的推动作用。 纵观国内外研究切削力的历程，可以看出，所有研究都是在充分利用塑性力学、有限元理论、位错理论及断裂力学等方面的最新成果来研究金属切削的形成过程，从而在理论和试验两方面来研究切削力的规律，为机床、刀具和夹具设计及提高产品加工质量提供可靠的科学依据。 6 弹塑性有限元技术 利用有限元法对残余应力和加工变形进行计算是目前工 程领域研究的一个热点问题，研究内容涉及残余应力的产生、松弛、工件变形以及产品性能的影响等多个方面。 弹塑性有限元不仅能用来对受力物体进行应力分析，从而进行强度计算，而且还能用于平板轧制、拉拔、挤压等塑性加工分析。 同时，还可以有效地计算塑性变形后，因卸载而引起的残余应力。 弹塑性有限元发展至今，已在理论上有了很大的发展，在工程中也获得了广泛的应用。 物体在线弹性时，其应力和应变为线性关系。 但是当物体产生塑性变形后，塑性区内的应力和应变为非线性关系。 此外，根据塑性理论，它们之间已不再是一一对应的关系，塑性应变的大小， 不仅决定当时的应力状态，而且还决定于物体塑性变形的历史。 卸载时，在塑性区内产生的应力和应变，按线性关系变化。 由于塑性应力－应变关系的这些特点，弹塑性有限元法比线弹性有限元法要复杂的多，求解起来也困难很多。 主要表现在： ① 由于在塑性区内应力－应变之间为非线性关系，所以在弹塑性有限元中，求解的是一个非线性问题，为了求解方便，要用适当的方法将问题线性化。 目前大多数采用逐次加载法，即将物体屈服后需要加的载荷，分成若干步加上（每步加的载荷要足够小），在每个加载步内，把问题看成是线性的。 ② 由于在加载和卸载时，塑性区内 的应力－应变关系是不一样的，因此，次计算时，一般应在检查塑性区内各单元是处于加载状态还是卸载状态。 如果是后者，则必须重新计算。 这样，势必增加计算工作量，延长计算时间。 ③ 要根据塑性理论中介绍的塑性应力－应变关系，求得联系塑性区内的应力｛ σ｝和应变｛ ε｝的弹塑性矩阵 epD。 由于塑性理论中，关于塑性应力－应变关系和硬化假设有多种理论，采用不同的理论就会得到不同的弹塑性矩阵表达式，由此就会得到不同的有限元计算公式。 主要研究的内容是 多框体结构件加工变形控制涉及的内容比较繁杂 ，首先以加工变形机理研究为出发点，在必要的基础技术理论的指导下，围绕目前常见及新机种 考虑采用的材料 ——铝合金预拉伸板材进行加工变形控制工业方法研究，取得的技术成果将应用于目前在制、在研机种的飞机结构件数控加工，并可为其他国防武器装备零件的制造和研制提供技术参考。 研究的主要内容包括以下几个方面。 7 课题主要研究内容 多框体结构件有限元分析模型的建立 由于商用 CAD 软件中结构件数据文件通常存在数据不完整现象，因此如果直接从中导入实体模型进入 ABAQUS 系统，则会引起有限元模型无法建立的问题。 本文 将针对多框体结构件，实现对结构件的参数化建模和规则网格划分。 多框体结构件多因素综合加工变形的分析技术 由多种因素综合作用引起的多框结构件加工变形预测分析目前还处于空白状态。 本文将首先从铣削温度、毛坯初始残余应力、装夹应力引起的单项加工变形预测分析入手，分别研究走到路径、加工顺序和加工余量的影响，摸索加工变形规律。 在这基础上，采用有限元分析综合模型，对零件综合加工变形进行预测分析。 8 第二章 多 框铣削变形有限元分析的基本原理与方法 引言 整体结构件的铣削 加 工 过程是一个典型的非线性力学问题，它涉及材料科学、工程弹塑性力学、机械加工工艺学以及金属切削理论等多个交叉学科 ，关联介质有毛坯残余应力分布状态、毛坯材料特性、数控加工力学特性等，是被加工工件内部残余应力、铣削残余应力等内应力相互影响的综合结果。 对于多框结构零件，因实际变形在一定范围内的随机性，要得到其加工变形规律，需要针对每一批具体变形零件进行试验研究分析，时间长，成本高，严重制约着变形控制技术的研究进展。 因此为便于工程应用，引入了有限元技术，基于有限元数值计算结果，研究典型多框体零件铣削变形的规律，寻找 控制铣削变形的有效方法，以便更好的指导生产。 基于有限元技术研究铣削变形的力学基础 航空多框体结构件的铣削加工过程是一个复杂的力学过程，具有明显的非线性特征。 非线性问题可以分为两大 类，第一类是属于几何非线性，第二类是属于材料非线性。 几何非线性问题指的是大位移问题。 航空多框体结构件的设计精度有很高的要求，因此结构件在铣削加工过程中不存在过大变形，因此研究中可以不考虑几何非线性，将研究方向定位在小变形问题，即材料非线性问题。 铣削加工过程中既有弹性变形、又有塑性变形，与弹性变形相比较，塑性力学问题具有如下 主要特点： ⑴ 应力与应变之间的关系是非线性的，其比例系数不仅与材料有关而且与塑性变形有关。 ⑵ 由于塑性变形的出现，应力与应变之间不在是一一对应的关系，与加载历史有关。 ⑶ 变形体中可分为弹性区与塑性区，加载与卸载都服从广义胡克定律，但在塑性区 ，加载过程服从塑性规律而在卸载过程中服从弹性的胡克定律。 即材料的弹性性质不受塑性变形的影响。  在试验的基础上，塑性力学一般采用以下假设： 9  材料是连续的、均匀的；  平均正应力（净水压力）不影响屈服条件和加载条件；  体积变化是弹性的；  不考虑时间因素对材料性质的 影响。 材料的非线性弹性和弹塑性 对于强化材料，在一个方向（例如拉伸）加载进入状态以后，在 σ=σr1 时卸载，并反方向（加压）加载，直到进入新的塑性。 这新的屈服应力 σs1 通常在数值上既不等于材料的初始屈服应力 σs，也不等于卸载时的应力 σr1。 如果 ︳ σs1︳ =σr1，则称材料为各向同性强化材料；如果 σr1σs1=2σs,则称材料为运动强化材料。 如果处于上述情况之间，即︳ σs1︳ σr1，同时 σr12σs, 则称材料为混合强化材料。 各种材料强化塑性特征如图所示。 屈服准 则 对于复杂应力状态下的材料的屈服条件，国内外学者提出了许多假设和模型，工程中应用最广泛的是 Von Mises 屈服准则，这也是本文采用的屈服准则。 该准则认为：材料在复杂应力状态下的形状改变能达到了单位拉伸屈服时的形状改变能，材料开始屈服。 Mises 屈服条件表达式如下 :         szxyzxyxzzyyx  21222222 11321 （ ） 式中  是等效应力， s 是单向拉伸时的屈服准则极限。 用主应力表示为： 10        x   2121323222121 （ ） 假设在进入屈服后载荷按微小增量方式逐步加载 ，则应变增量可分解为两部分：        ddd （ ） 其中： d 为弹性应变增量， d 为塑性应变增量。 与等效应力对应，定义等效应变为           21222222 2312 2   zxyzxyxzzyyx  （ ） 称对应于塑性应变增量的等效应变为塑性等效应变增量，记作 pd (假设塑性变形状态下不引起体积变化，故此时的 泊松 比 μ 可近似等于 )。 大多金属材料在达到屈服极限后，材料均表现出强化效应，复杂应力状况下的应变强化规律为：进入屈服后卸载，然后加载，其新的屈服应力仅与卸载钱的等效塑性应变总量有关。 卸载前的等效塑性应变总量为  d ，因而新的屈服只有当等效应力满足   pdH  （ ） 时才发生。 此处函数 H 反应了新的屈服应力对与等效塑性应变总量的关系。 将式（ ）写成增量形式为： pdHd   （ ） 式中 H 是强化阶段曲线   斜率。 式（ ）和式（ ）反应了屈服与强化之间的关系，他们就是的无奈搞笑强化材料的 Mises 准则。 塑性流动法则 材料屈服后 ，在加载下引起塑性流动。 流动法则是材料在塑性状态下应力与应变速度或者是应变增量之间的关系理论。 根据 LevyMises 理论和 PrandtlReuss理论，塑性应变增量与应力状态下的流动法则是：     dd p （ ） 11 式中比例因子是 dλ,它会随着载荷大小以及材料内点的位置而变化。 在同一点和同一载荷下，每个方向东欧是常数。  为数量函数  对变量  的偏导数。 这个法则几何上解释为塑性应变增量向量的方向与屈服曲面的法向一致，故又称法向流动法则。 最后通过简化流动法则可化为：      dd （ ） 弹塑性应力与应变关系 工件材料超过屈服极限后，卸载是弹性的，它沿着和原点斜率大致相同的斜率作为卸载路径，这表明卸载过程的不可逆性。 因此，弹塑性应力与应变之间不是单值对应关系，即应变不仅依赖与当时的应力状态，而且还依赖与整过加载的历史。 因此弹塑性力学问题应该是从某一已知的初始状态开始， 跟谁加载过程，用应力增量与应变增量的关系，逐步将每个时刻的各个增量累积起来，得到物体内的应力和应变分布。 我们假设材料进入塑性后，载荷按微小增量方式逐步加载，应力和应变也在原来水平上增加：         pe ddDd   （ ） 式中 eD 为弹性矩 阵。 将式（ ）两边左乘   T  ，利用强化材料的 Mises 准则式（ ） 以及塑性流动法则式（ ）可将式（ ）写成               peTeTp dDdDdH 。