钛合金弯曲薄壁件铣削加工的有限元分析和参数优化.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘 要 钛合金薄壁结构零部件因其强度高、质量轻、耐高温等优良特性，在航空航天、军 用设备等精加工制造业所占比重日趋加大，如飞机发动机叶片、蒙皮、凸台、筋条、侧 壁和腹板等。但由于此类零件整体刚度小、材料去除率高，导致其难以加工，切削力、 切屑变形、切削颤振、切削温度等因素严重影响了零件的表面加工精度，加工过程中伴 随着复杂的热力耦合作用，容易产生破裂、回弹、起皱、截面畸变等质量缺陷。因此， 本文以理论建模为基础，有限元仿真为手段，在金属切削机理的基础上，对钛合金弯曲 薄壁零件的切削变形进行了深入的研究，具体研究内容如下： （1）介绍了钛合金薄壁件的基本性能和常用加工方法，对其加工变形的主要影响因 素、原因进行了分析。 （2 ）基于金属切削基本理论，以弯曲薄壁件基本理论为基础，建立了弯曲薄壁件在 法向载荷下的弯曲变形理论模型。 （3 ）ansys 静力学分析模拟弯曲薄壁件铣削过程，确定了弯曲薄壁件铣削加工过程 中工件圆周方向的最大变形点，也是切削加工完成一次走刀的切出点，R 向最大变形为 壁厚的3.13% 。然后利用4 因素4 水平的正交试验确定了一定范围内使最大变形点变形 最小的切削参数组合。 （4 ）设计单因素试验，研究各个切削参数在一定范围内对弯曲薄壁零件铣削加工变 形的影响规律，切削三要素对弯曲薄壁件变形量影响程度的先后顺序为径向切深、轴向 切深、每齿进给量、铣削速度，其中轴向切深和每齿进给量对加工变形量影响程度几乎 相同，在此范围内铣削速度的变化对加工变形的影响可以忽略。 （5 ）构建了两种弯曲薄壁件铣削辅助支撑模型，分析对比了无辅助支撑、圆柱体辅 助支撑和压块辅助支撑下的加工变形并对不同压块压力作用下弯曲薄壁零件的变形进行 了比较。结果分析可知：采用圆柱体辅助支撑的变形量要比采用圆柱体支撑时大；采用 压块支撑时，R 方向的变形量极差最小，可以更好的保证零件的粗糙度。此外，研究了 采用不同数目和位置的圆柱体辅助支撑时弯曲薄壁件的径向加工变形。结果表明，采用 在弯曲薄壁件两侧添加数量较多的支撑，中间添加少量支撑的方式更加合理，能够有效 提高零件刚度、减小加工变形。 （6 ）对弯曲薄壁件进行动力学分析，通过对 TC4 弯曲薄壁件的模态分析，确定了 I 山东建筑大学硕士学位论文 其固有频率和振型，然后对TC4 弯曲薄壁件进行谐响应分析，绘制了15 号节点的位移- 频率响应曲线，确定了刀具和工件产生共振时的频率和弯曲薄壁件的固有频率相一致， 得到15 号节点的峰值位移和响应频率。最后通过对第二阶振型的分析，确定了添加辅助 支撑的位置，对比了有、无辅助支撑时弯曲薄壁件固有频率和15 号（X -64，Y=0 ，Z=80 ） 节点的位移-频率响应曲线，证明添加辅助支撑可以提高弯曲薄壁件固有频率，并有效抑 制共振引起的变形，提高了工件的加工精度。 通过以上研究工作，可以为弯曲薄壁零件的加工提供一定的理论参考，为弯曲薄壁 件加工变形控制提供依据。 关键词：弯曲薄壁件，理论建模，正交试验，辅助支撑，动力学分析 II 山东建筑大学硕士学位论文 Finite Element Analysis and Parameter Optimization of Milling Titanium Alloy Curved Thin-Wall Bending Parts Li Tong （Mechanical manufacture and Automation Major ） Directed by Tang Aijun ABSTRACT Due to its high strength,