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近20余年研究,告訴你如何進行薄壁構件切削工藝

近20余年研究,告訴你如何進行薄壁構件切削工藝

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發布時間:
2020/05/08
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薄壁構件廣泛應用于航空航天設備等重大裝備中,其切削工藝理論與方法是實現結構輕量化、高效高質加工、保證力學性能與功能的核心基礎。在《〈中國制造2025〉重點領域技術創新綠皮書》中,“大型輕量化整體及高強金屬結構制造技術”被列為航空航天裝備領域共性關鍵技術之一。然而,薄壁構件在切削力作用下極易發生顫振,從而降低加工效率和精度,長期以來構成了機械制造領域的技術瓶頸。近20 余年,作者圍繞薄壁構件切削工藝中的動力學問題開展了系統深入的研究工作,以其闡明顫振形成機理,建立顫振抑制理論與方法,解決該類構件加工顫振的難題。

顫振本質上是切削力作用下刀具與構件變形交互耦合引起切屑厚度動態再生導致切削失穩的現象。特別是在大尺寸薄壁構件切削過程中,因刀具長懸伸和軸向大切深而極易發生顫振現象。因此,深刻闡明切削顫振形成機理是本書的重點內容,需要解決以下關鍵難題:

 

1) 刀具-刀柄-主軸系統動力學建模。大尺寸薄壁構件切削工藝具有材料去除率高、刀具使用數量多的特點,同時刀具-刀柄-主軸系統動力學參數隨著大行程跨度的推移變化顯著。傳統模態錘擊試驗測試方法雖然有效,但十分有限,不適用于頻繁換刀的加工現場,亟待發展刀具-刀柄-主軸系統動力學參數的建模與預測方法。

2) 銑削過程中構件動剛度演變規律及瞬時動力學參數預測。大尺寸薄壁構件初始動剛度分布隨位置變化劇烈,材料去除又會進一步引起動剛度演變,使得計算規模急劇上升,甚至無法求解。因此,需發展針對薄壁構件瞬時動力學參數的有效預測方法,構建材料去除引起的動剛度演變分析模型。

3) 過程阻尼的建模與預測。對于鈦合金、高強度鋼等難加工材料構成的薄壁構件,往往需要在較低轉速下切削成形。然而,低轉速下振動頻率與切削速率之比的增大會導致穩定切削域的增加,即過程阻尼現象突顯。傳統理論主要針對車削過程的過程阻尼,如何建立銑削加工中過程阻尼數學模型,是準確揭示包括鈦合金在內的難加工材料薄壁構件銑削顫振機理必須解決的關鍵問題。

 

在此基礎上,進一步開展了薄壁構件切削的顫振抑制理論與方法研究。通過添加局部配重和施加預拉應力等方法,實現了切削系統的剛度及固有頻率等關鍵動力學參數的調控,取得了良好的抑振增效效果,研究成果在相關航空航天企業進行了推廣應用。

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