1、12摘 要在航空航天工业中，数控铣削是薄壁零件加工的一种典型加工工艺，其中尤以高速铣削应用最为广泛。然而，由于这些结构件的薄壁地刚度特征，实际加工过程中工件和道具变形引起的加工误差严重影响着工件的加工精度及表面质量，甚至造成零件的保费。因而，研究薄壁铣削过程加工变形的预测及控制，对实现制造也中的加工工艺方案和加工参数的合理选取优化既有重要意义。为此，本文以薄壁件侧铣加工过程为研究对象综合运用怯薛基本原理、有限元数值模拟技术以及数控加工技术，对加工变形预测方法和补偿策略进行研究，具体工作包括：(1) 薄壁叶片的 UG 建模，和从 UG 导入 ANSYS 软件。(2) 建立刘文螺旋立铣刀铣削加工的
2、力学模型。在分析铣削加工特点的基础上，建立了铣削力系数与切削用量的多项式模型，并用四因素回归正交实验法确定了模型常量。最后，用过实验验证了该力学模型的正确性。(3) 针对航空叶片侧铣加工变形进行了有限元数值模拟分析，提出了变形补偿策略。在分析叶片曲面曲面特征的基础上，运用坐标变换实现铣削力的计算及有限元模型的加载，得到了被加工表面的形状误差数据。在此基础上，有提出了利用变形模拟值修正刀轴适量补偿叶片加工变形的刀轨优化策略。综上，本文的研究为解决薄壁件侧铣加工的变形问题提供了有效的误差补偿方法，为提高加工质量、降低成本、提高机床的利用率3提供了有效的途径，同时为后续深入研究奠定了理论基础。关键词
3、：UG 建模；薄壁叶轮；有限元分析；误差补偿ABSTRACTIn the aerospace industry, CNC milling is thin a typical parts machining processing technology, especially the most widely used high speed milling. However, due to the characteristics of thin-walled structure to stiffness, the actual process of workpiece and props proce
4、ssing error caused by deformation of the serious influence workpiece machining precision and surface quality, even cause components of the premium. Therefore, study machining deformation of thin-walled milling process to realize forecast and control, the manufacturing process scheme and processing p
5、arameters optimized rational selection of both the important meaning. Therefore, this article takes the thin-walled package flank milling process for research object comprehensive use of timid uzziel basic principle, the finite element numerical simulation technology and nc machining technology, mac
6、hining deformation prediction method of study, compensatory strategies and concrete work include:Thin blade, and the UG modeling from UG import 4ANSYS software.Establish liu wen mill cutter milling spiral mechanical model. On the analysis of milling characteristics is established, on the basis of mi
7、lling force coefficients of polynomial model with cutting dosages, with four factors regression orthogonal experimental method is used to determine the model constants. Finally, used experimental results verify the correctness of the mechanical model.On airline blade lateral milling machining deform
8、ation finite element numerical simulation are analyzed, and the deformation compensation strategy. On the analysis of the characteristics of leaf surface based on the surface, using the coordinate transform realize milling force calculation and finite element model of loading, got processed surface
9、shape error data. On this basis, have proposed to use deformation simulation value fixed cutter axis machining deformation of adequate compensation blade knife rail optimization strategy.In conclusion, this research to solve the thin-wall pieces lateral milling machining deformation problems to prov
10、ide effective error compensation methods, to 5improve machining quality, reduce cost, increase the utilization rate of machine tool provides an effective way for the follow-up thorough research, and laid a theoretical basis.Keywords: UG modeling; Thin-wall impeller; The finite element analysis; Erro
11、r compensation.第一章 绪论1.1 论文研究的背景及意义制造业是一个国家的支柱产业，是高科技赖以产生和发展6的基础。它涉及到材料，力学，机械制造等多个学科，是高新技术最密集的领域之一。制造业水平往往能够从一个侧面反映一个国家或地区的科学技术和工业化水平的高低。随着航空航天领域日趋激烈的国际化竞争，对产品的性能也提出了更高的要求。就现代飞机，航天器的结构设计，制造来说，为了减轻产品的重量，提高产品的结构强度，进一步提升产品的性能，广泛使用薄壁零件，如发动机的涡轮叶片。叶片是机械制造业中最典型的零件之一, 在航空、汽车、船舶等领域都有广泛的使用, 如蒸汽轮机、水轮机、航空发动机里的涡
12、轮压气机等。叶片类零件多属于复杂薄壁零件, 种类繁多, 而且大部分叶片型面是由几何精度要求较高的自由曲面组成。因此, 叶片加工现在广泛使用现代数控加工技术。叶片结构形状复杂外形协调要求较高，零件外廓尺寸相对截面尺寸较大、加工余量大、相对刚度较低，精度要求高，目前普遍采用数控铣削的方式来进行加工。然而，在铣削加工过程中，由于这些构件的低刚度特征，切削力、切削应力以及切削热作用所引起的零件弹性变形是不可避免的，使得实际切削参数不等于名义值，最终降低加工精度及表面质量，严重情况下造成零件报废。薄壁件的变形问题，美、法、德、日、英等制造强国都非常重视。美国的波音公司依托密西根大学等若干所著名大学，7在
13、政府和军工企业集团的共同支持下，正在共同研究和开发能够有效抑制整体薄壁零件数控加工变形的工艺路线优化理论和有限元模拟软件。在西方发达国家，针对薄壁件的结构特点，采用有限元技术，通过变形分析获得薄壁结构件变形模式，再利用误差补偿技术进行适当补偿，可以保证薄壁结构零件高精度加工要求，或通过高速铣削技术解决薄壁件加工变形问题，而且提高了加工生产率。而在国内，由于缺少理论的计算和相关的试验数据，对薄壁零件的研究尚处于起步阶段，尤其是对薄壁零件变形预测和控制的研究还大大的落后于国外。通过薄壁零件的结构特征可知，切削力及切削应力是导致薄壁零件加工误差的主要因素。因而为了保证加工误差满足制造精度的要求，除了
14、要对工件的尺寸、形状进行综合考虑外，更重要的是要对加工过程进行定量的研究分析，正确合理地进行加工工艺设计和选择加工工艺参数。航空发动机叶片在数控加工后绝大部分存在不同程度或弯或扭或弯扭组合的变形，其变形产生的机理目前仍未完全掌握，变形抑制、变形消除的理论和实验研究等方面仍有许多工作亟待进行。目前对待变形零件的校正手段主要停留在凭经验锤击敲打的“野蛮校形”水平。这种状态根本无法满足产品批量生产的要求；而且对于变形较大零件，无法校正或校正破坏零件的现象时有发生。因而如果对薄壁零件的变形规律认识不清，就不能有效地控制其加工精度。可见，加工变形的预测和8控制成了薄壁结构零件加工的关键。由于叶片是一种典
15、型的薄壁零件。因此，本文以钛合金叶片铣削加工变形作为主要研究对象，借助 UG 建模、有限元分析等手段进行研究与探讨。开展该方面的前瞻性应用基础研究，对工艺设计和切削参数选择具有一定指导意义。不仅能够保证叶片的精度、提高加工质量及提升加工效率。具有理论和实践指导的双重意义。叶片结构如图 1.11.2 研究现状综述切削力是切削加工中的一个非常重要的物理现象，是影响切削加工过程的重要因素之一。同时，它是薄壁零件加工变形、表面误差以及误差补偿等方面研究的基础，许多科学家利用多种手段研究了切削力的产9生以及切削力的预报。随着计算机的出现，人们开始尝试利用计算机来获得薄壁零件的加工变形规律，即有限元法。在
16、有限元分析模型中，将铣削力作为动态边界载荷，以一定的方式加载在零件的物理模型上，通过数值计算的方法获得研究对象的变形量。通过获得的数据，再利用误差补偿技术进行适当补偿以优化刀轨，能有效地保证零件的加工质量，提高加工效率，大大减少了实验工作量。下面就切削力模型、加工变形的预测、误差控制以及刀轨优化相关问题的研究现状进行扼要叙述。1.2.1 切削力研究对切削力的精确建模是预报切削力、颤振、表面质量以及加工过程稳定性的基础。但由于切削过程的复杂性，至今还未建立与实验结果足够吻合的理论公式，在生产实践中常采用由试验得出的经验公式。经验公式法以大量试验为依据，且受到实验条件和特定加工的限制，没有太大的外
17、推价值。因此，如何建立准确、有效的切削力模型显得尤为重要。在切削力的建模方面，国内外学者都进行了广泛的研究，大致包括以下几种。101.2.1.1 解析法解析法基于 20 世纪 40 年代 Merchant 发表的剪切面理论，应用剪切滑移理论，重点研究切削过程中的切削力及切削振动等相关问题。解析法对切削过程中出现的力学机理进行了模拟，由于受高应变率、高温度梯度、弹塑性变形等复杂力学现象的影响，解析法不能准确描述出切削过程中前、后刀面上的力学关系。但随着切屑变形的塑性理论力学和位错理论的发展，使切屑变形的宏观几何规律和微观变形机理的研究推进了一大步。对于切削力的研究，离不开两个基本的理论：最小能量理论和滑移线场理论，其他许多研究都以此为基础。最小能量理论是 Merchant 提出的，即金属切削时剪切平面位于剪切能量最小的位置，应用这一学说，建立了一个用以确定剪切角的数学模型。1951 年，Lee 和 Shaffer 在被加工材料是理想塑性材料的假设下，采用滑移线场理论对切削过程进行了分析研究，建立了滑移线切削理论。Oxley 应用平面应变塑性理论，提出了主剪切面的滑移线场理论，考虑了 Merchant 模型所忽略的应变、应变率以及温度对流动应力的影响。
