基於多場耦合的平面銑削預變形理論及其補償方法研究

《基於多場耦合的平面銑削預變形理論及其補償方法研究》是依託山東大學，由姜兆亮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於多場耦合的平面銑削預變形理論及其補償方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：姜兆亮
• 依託單位：山東大學

中文摘要

針對低剛度的大型複雜工件平面銑削加工變形問題，本項目首先研究切削過程中裝夾力、切削力、切削熱之間的相互作用機制，揭示切削變形的多場耦合效應；其次，分析工件在裝夾力、切削力、切削熱耦合作用下的微觀結構變化，研究殘餘應力的產生、變遷及其再分布機理，以及工件微觀結構演化與巨觀變形的本質聯繫；最後，基於上述研究成果，根據工件的服役環境，研究裝夾預變形補償策略，實現切削過程中裝夾力、切削力、切削熱的變形影響相互補償，同時有效調控殘餘應力的產生與分布，以保障其服役環境下的最佳效果。本研究提出了工件切削變形補償的新方法，開闢了裝夾方案最佳化的新途徑，能夠有效降低大型複雜工件的製造成本，同時提高銑削質量與效率，具有重要的理論意義與實際套用價值。

結題摘要

高強度、高韌性的薄板/薄璧結構件在航空、航天、核電、汽車、船舶等產品中的廣泛套用，為銑削變形控制提出了新的挑戰。因此，正確揭示夾緊力、切削力、切削熱、殘餘應力對工件銑削變形的耦合效應，構建合理的裝夾預變形補償方法，必將有效提高工件的加工質量。研究對比了面支撐與點支撐方式下銑削殘餘應力的產生規律；分析了夾緊力大小與夾緊點位置對工件銑削表面、次表面殘餘應力的影響。結果表明，鋁合金6061薄板件的表面切削應力近似於二維平面應力；切削過程中，面支撐裝夾的薄板件底面近似為彈性變形，而點支撐裝夾的薄板件底面易產生持續塑性變形；工件次表面沿厚度方向的殘餘應力由表面較小的壓應力(或拉應力)向壓應力增大，達到最大值後再逐漸降低；當夾緊點位置向工件中部移動時，已加工表面中心點處最大壓應力的深度隨之增大，但夾緊力的大小對此影響不大。研究了銑削參數對切削應力產生的影響規律，套用回響面原理建立了切削應力與銑削參數之間的關係模型，設計了切削應力隨工件厚度變化的分段多項式，實驗確定了分段多項式的階數與分界點，推導了給定切削參數下切削應力引起薄板件變形撓度的估算公式，並進行了實驗驗證。建立了薄板件裝夾回彈變形的二維仿真模型。分別利用微觀位錯原理和巨觀彈塑性變形原理研究了薄板件沿板厚方向的切削回彈變形分析方法，套用微觀位錯原理對點支撐裝夾方式的薄板件在表層切削過程中的變形區進行了劃分，並初步構建了基於微觀位錯的工件銑削回彈變形分析方法。研究表明內部應力重新分布是薄板件回彈變形的主要原因。根據應力疊加原理，設計了工件預拉伸輔助裝夾變形補償方法。分析了預拉應力對薄板件加工變形的作用機理，並通過仿真與切削實驗進行了模型驗證。實驗結果表明，通過預拉伸裝夾調整工件的拉伸應力，合理控制工件回彈變形，能夠有效減小工件的銑削變形。 利用夾緊點與支撐點的位置偏移，構建了工件預彎曲的銑削變形補償方法，設計了預彎曲夾緊力的計算模型。結果表明：它可以明顯提高工件的銑削平面度。以磁為基礎，設計了雙點壓板，它的兩個夾緊點對稱分布在被裝夾工件支撐點的兩側。分析了雙點壓板裝夾對工件銑削變形的補償機制，設計了工件彈性變形的計算方法。結果表明：端面銑削工件時，雙點壓板夾緊工件有較好的補償作用，能夠明顯改善工件的加工質量。設計了夾緊力大小可動態調控的液壓夾具系統，配合工件變形補償。