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[学位论文] 刘玉梅山东大学 2012年博士导师: 李兆前共171页

摘要 : 大型复杂结构的薄板、薄壁结构件在加工过程中，由于受到装夹力、切削力、切削热以及力热耦合作用，发生变形；且加工过程中产生的残余应力会引起残余应力变形。这两种变形都会导致加工精度降低。本文针对薄板件加工过程产生的残余应力和变形控制问题... 展开大型复杂结构的薄板、薄壁结构件在加工过程中，由于受到装夹力、切削力、切削热以及力热耦合作用，发生变形；且加工过程中产生的残余应力会引起残余应力变形。这两种变形都会导致加工精度降低。本文针对薄板件加工过程产生的残余应力和变形控制问题，综合考虑切削过程、装夹布局及夹紧力等影响因素，以铝合金6061为实例，利用切削实验与模拟仿真方法研究薄板件切削回弹变形机理及变形控制方法，从而为薄板件的加工变形控制提供理论依据。实验研究了铝合金6061表面切削应力的状态，得出了表面切削应力属于二维平面应力；应用响应面原理建立了铣削参数与表面切削应力之间的关系模型；综合考虑表面切削应力与表面粗糙度，对铣削参数进行了优化，并分别对面支撑和点支撑装夹方式下的薄板件进行了表层铣削实验。测试和分析结果表明，面支撑装夹方式的薄板件表层铣削完成后，去除装夹时的回弹量是影响加工精度的主要因素；点支撑装夹方式的薄板件表层铣削完成后，夹紧力施加位置沿薄板件板长方向相对支撑点位置变化时，对变形及残余应力都有重要影响。应用ABAQUS有限元软件，建立了薄板件表层切削过程及去除装夹后回弹过程的二维仿真模型。分析了不同装夹方式的薄板件去除装夹前后，薄板件变形、回弹变形和内部应力分布情况。结果表明，面支撑装夹方式的薄板件表层切削完成后，去除装夹时存在较大的回弹变形量；此时薄板件的主要变形为回弹变形；内部应力主要是切削力、切削热耦合作用产生的切削应力，沿薄板件板厚方向的进给方向的应力分布值远大于垂直进给方向的应力值和剪应力值，因此后续研究仅考虑进给方向的切削应力。针对点支撑与夹紧点正对装夹的薄板件进来了仿真计算。结果表明，支撑点位置对薄板件切削后的变形、回弹变形、内部应力分布及大小都有重要影响。而薄板件的变形和残余应力分布及大小之间没有直接的关系。研究了薄板件沿板厚方向的切削回弹变形分析方法。应用微观位错原理对点支撑装夹方式的薄板件在表层切削过程中的变形区进行了划分。构建了基于微观位错的回弹变形分析方法。对面支撑装夹方式的薄板件，应用宏观弹塑性变形原理进行推导。分析表明内部应力重新分布是薄板件回弹变形的主要原因。建立了切削参数与轴向切深方向的切削应力之间的关系模型。研究结果表明，切削应力在表面主要表现为拉应力，沿板厚方向接近表面处迅速转化为最大压应力，之后慢慢减小到零。应力主要集中于表层0-0.3mm内。采用逐层铣削方法，测量了薄板件沿板厚方向的切削应力值，结果与预测结果一致。应用该模型建立了切削应力与切削应力引起的薄板件变形挠度之间的关系。针对支撑点位置与夹紧力施加位置正对装夹的薄板件，采用BP神经网络建立了预测模型，映射薄板件板长方向的内部残余应力均值、板厚方向的变形量均值与板长、板厚、夹紧力、支撑点位置和板长比之间的关系。针对薄板件的支撑点位置，设计了基于遗传算法的变形均值最小和残余应力均值最小的多目标优化方法。通过BP神经网络预测模型计算适应度值，采用适应度惩罚措施，在非支配前沿等级划分和小生境计算的基础上应用二元联赛选择机制，对种群进行优劣排序，得出优化结果集合。针对支撑点位置与夹紧力施加位置正对装夹的薄板件表层切削过程中产生的“欠切”问题，应用应变叠加原理设计了基于装夹的预变形、预应力补偿方法，通过夹紧力值变化及夹紧力施加位置沿薄板件板长方向相对支撑点位置变化产生预变形与预应力，补偿薄板件变形及残余应力。收起

关键词 : 装夹优化薄板件切削回弹变形机理

2. 航空薄壁件在线测量与补偿加工

[学位论文] 童刚华中科技大学 2015年硕士导师: 李文龙共77页

摘要 : 航空结构件、航空叶片是航空制造的关键零件，具有弱刚性、难加工、型面复杂等技术特点。该类零件通常采用钛合金、高温合金等难加工材料，以及铝合金弱刚性材料。钛合金加工过程中活性高易产生硬脆氧化层加剧刀具磨损，航空铝合金大屈服比和残余应力... 展开航空结构件、航空叶片是航空制造的关键零件，具有弱刚性、难加工、型面复杂等技术特点。该类零件通常采用钛合金、高温合金等难加工材料，以及铝合金弱刚性材料。钛合金加工过程中活性高易产生硬脆氧化层加剧刀具磨损，航空铝合金大屈服比和残余应力再分布引起切削回弹，且这两类材料弹性模量较小、壁厚很薄，加工中易引起弹性变形，导致航空薄壁件加工偏差难以控制。本文针对这些难题，对航空薄壁件的几何变形规律及补偿方法开展实验研究，具体工作包括：（1）搭建在线测量软硬件平台，提出两种在线测量方案：一是基于数控系统测量-运算的快捷测量方案，实现简单特征的在线测量-误差评定功能；二是适合复杂特征、大规模点的在线测量方案，在软件上规划好无干涉测量路径，并根据测量得到的离散点信息，计算零件实际加工表面与理论模型间的偏差数值，通过对偏差点的插值与拟合分析整体偏差。编写补偿加工软件模块，对半精加工后工件的几何偏差进行分析，建立偏差模型并对精加工轨迹实施修改，提出两种补偿加工方法：对规则薄壁特征的均值偏差补偿方法、对自由曲面薄壁特征的精加工轨迹分段补偿方法。（2）设计规则薄壁件切削补偿加工试验，采用TC4钛合金、7075铝合金以及304不锈钢三种航空材料，平面、规则曲面两种薄壁特征，对补偿试件与未补偿试件的加工效果进行对比，实验结果表明：补偿加工后的实验组加工精度比对照组高50%左右，且TC4钛合金的补偿效果在0.4mm～0.7mm的超薄壁厚条件下表现稳定，优于7075铝合金和304不锈钢；方差分析证明壁厚因素对厚度小于1mm的TC4钛合金切削偏差有显著影响，而7075铝合金和304不锈钢的显著影响因素是工件高度。（3）完成航空薄壁叶片在线测量及补偿加工实验，以航空铝合金板材为加工毛坯，进行五轴加工规划，并设计复杂特征在线测量路径方案，在Mikron五轴加工中心上完成加工和在线测量，根据测量数据对精加工进行分段补偿，修改精加工的走刀轨迹，结果证明，与设置相同加工参数的半精加工相比，整体精度提高约1倍，偏差控制在工艺要求的精度范围内，验证了偏差分段补偿策略在叶片类薄壁件精密加工中的可行性。收起

关键词 : 航空薄壁叶片几何变形在线测量补偿加工切削回弹

3. 基于DIC的钛合金切削过程中加工表面回弹量的研究

[学位论文] 许良山东大学 2020年硕士导师: 皇攀凌；周军共84页

摘要 : 本文以钛合金切削过程中加工表面产生的回弹变形量作为研究对象。利用切削有限元仿真，结合钛合金干铣削条件下的回弹量检测实验，分析不同切削参数下对回弹变形量的影响;以减小回弹变形量为目标，利用二维切削仿真，获取最优刀具结构;最后结合BP神经... 展开本文以钛合金切削过程中加工表面产生的回弹变形量作为研究对象。利用切削有限元仿真，结合钛合金干铣削条件下的回弹量检测实验，分析不同切削参数下对回弹变形量的影响;以减小回弹变形量为目标，利用二维切削仿真，获取最优刀具结构;最后结合BP神经网络建模，建立了不同切削参数和加工表面回弹变形量的预测模型。从减少回弹量以及优化刀具结构的角度，为钛合金Ti6Al4V切削加工提供理论指导。 (1)钛合金回弹量的二维切削仿真研究。针对切削仿真环境下产生已钛合金加工表面回弹量的问题，本文采用钛合金二维切削来完成仿真，并基于摩擦学原理完成该环境下回弹量的理论计算。通过改变切削速度、轴向切削深度来完成仿真环境下得到不同参数下钛合金已加工表面的回弹变形量，为验证试验在线测量的准确性提供理论基础。进而设计了3款具有减振功效的刀具结构，并在切削仿真环境下，分析了不同刀具结构对钛合金已加工面的回弹变形量的影响。综合仿真实验结果，获得了产生回弹量最小的的刀具结构。 (2)基于DIC的钛合金加工表面的回弹变形量的测量。针对不同加工参数对已加工表面回弹量的影响，设计了若干组正交实验，采用硬质合金刀具在低速环境下干铣削钛合金。利用双目相机监测钛合金的干铣削过程，并基于DIC方法计算加工过程中钛合金已加工表面的回弹量。DIC方法就是通过双目相机采集被测试样上的黑白散斑在被测试样变形过程中的散斑图像序列，将记录得到的灰度信息以矩阵的形式存储于计算机中并进行相关计算。根据实验结果，获得了切削参数轴向切削深度ap、主轴转速n和进给量f对已加工表面回弹量的关联模型。 (3)回弹量预测模型的建立。针对钛合金高速铣削实验中的回弹变形量的进一步研究。将BP神经网络引入到钛合金回弹量的预测实验当中，把它用于对切削参数（轴向切削深度ap、主轴转速n和进给量f)与已加工表面回弹量的影响规律研究。建立了切削参数与回弹量之间的预测模型。结果表明，该预测模型的准确性高，可以为后续实验提供理论依据。收起

关键词 : 钛合金切削加工表面回弹量 DIC技术 BP神经网络