柔性薄壁结构件铣削变形和颤振耦合机理及三维稳定性研究

薄壁结构件在制造过程中容易发生颤振和变形，其高效精密切削是国际学术界和产业界公认的复杂难题之一。为了提高薄壁结构件的加工效率和加工精度，本课题针对航空航天业中常见的三种典型柔性薄壁结构，在功的互等理论和冯卡曼方程的基础上，探索薄壁结构在动态铣削力下的变形机理，建立其弹性变形和弹塑性变形微分方程，揭示薄壁结构件的变形规律。探索薄壁结构件铣削变形和颤振的耦合机理，建立二者之间的耦合方程，并进行解耦计算，提出一种研究薄壁结构件铣削变形和颤振耦合机理的方法。阐明薄壁结构件在弹性让刀和刀具偏心影响下的三维稳定性原理，建立在弹性让刀和刀具偏心影响下的三维稳定性模型。在薄壁结构件铣削变形与三维稳定性模型的基础上，建立稳定切削条件下的材料最大去除率模型，寻求稳定切削条件下的最优切削参数组合。本课题的研究有助于丰富薄壁结构件铣削变形和稳定性的机理研究，为薄壁结构件加工效率和加工质量的提高提供新理论和新方法。

航空航天整体结构件的加工变形和颤振稳定性一直是困扰航空航天制造业的难题，薄壁零件由于其壁厚较薄、刚性差的结构特点，加工变形和颤振稳定性问题尤为突出。为了提高薄壁结构件的加工效率和加工精度，本课题主要进行了以下研究工作：.（1）建立了平头螺旋立铣刀切削力模型，并分析了刀具几何参数（刀齿数、螺旋角、前角）和切削参数（铣削方式、轴向切深、径向切深、每齿进给量、切削速度）对铣削力变化的影响，在此基础上，建立了切削力测试平台，并将仿真和实验相对比，验证了仿真算法的正确性和实用性，从而可以进一步对算法进行必要的修正和改进。.（2）在功的互等理论和冯卡曼方程的基础上，建立了薄壁零件铣削变形微分方程，结合边界条件，利用有限元进行了求解计算，得到了薄壁零件铣削过程中工件的变形。并分析了载荷大小、铣刀位置、板厚和径向切深对薄壁零件变形的影响。考虑了弯曲回弹现象对弹塑性变形的影响，将弯曲回弹的计算引入到薄壁零件弹塑性变形的计算中。进行了高速铣削薄壁结构件加工变形实验，采用三坐标测量机测量工件的加工变形情况，验证变形的理论模型和有限元模拟的正确性，并同时对所建立的模型进行修正，为进一步研究薄壁件加工变形的控制技术提供理论依据。.（3）基于Altintas和Budak提出的颤振预测模型，建立了薄壁零件铣削加工的三维稳定性模型，并用Matlab7.0进行计算仿真，得到了薄壁零件铣削颤振的轴向切深、径向切深和主轴转速的三维稳定性图。通过对金属切削力学和铣削力模型的研究，建立了铣削力系数和铣刀几何参数之间的关系，分析铣刀几何参数（螺旋角、法向前角和刀齿数）和径向切深对铣削三维稳定性的影响，进而分析了薄壁零件铣削加工系统的稳定性以及工艺参数的优化选择问题。.（4）将薄壁件铣削变形和颤振稳定性相互耦合，建立了不同刀具位置处的三维稳定性模型，通过Matlab模拟出薄壁零件铣削加工过程中轴向切深、主轴转速和刀具位置的三维稳定性图。并对薄壁零件铣削过程中不同位置上的颤振稳定性模型进行实验验证，以证明所建立模型的正确性。.（5）在稳定切削的前提下，运用切削理论和数值计算方法，建立了无颤振最大材料去除率的求解模型。在材料去除率取得最大时，切出角的大小只与切削力系数有关，而切削力系数与法向前角、螺旋角、摩擦系数和切屑变形系数等有关。因此，在一定的切削条件下，可以寻求最优的切削用量组合，以使薄壁件的材料去除率最大。