铝合金数控加工与夹具设计

. . . . 研研究生学位论文题目 作者大学分 类 号： 单位代码：10183研究生学号：200XXXXXXX 密 级：（以上为宋体加粗小四号字）吉 林 大 学硕士学位论文（专业学位）中文论文题目 （要求黑体三号字）英文论文题目 （要求Arial体小三号字） （以下为宋体加粗三号字）作 者 姓 名：类 别：领域（方向）：指 导 教 师：培 养 单 位：年 月硕士学位论文铝合金数控加工与夹具设计Aluminum Alloy CNC Processing and Fixture Design（Arial三号字）（以下均为宋体四号字）作 者 姓 名：领域（方向）：指 导 教 师：类 别：答 辩 日 期： 年 月 日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。大学博士(或硕士)学位论文原创性声明本人重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期： 年 月 日53 / 62摘要随着工业的发展，铝合金在各个领域的应用开始广泛起来，但由于铝合金构件结构本身的刚性差，其在加工过程中极易产生变形，加工的质量在要求上很难达到指定要求，因此，对于铝合金构件的加工一直以来是一个难点。本文将借助某项目，运用CAD/CAM/CAE技术，对铝合金构件的高速加工工艺做进一步研究。优化了刀具在高速加工时的运行轨迹。对于铝合金构件容易变形的特性，又考虑到加工效率问题和加工质量问题，采用高速加工在绝大程度上是有助于解决以上问题，然后考虑到刀具的使用效率极其寿命，需从刀具的切入、移刀和对圆角处理等方面做优化，最终制定出刀具轨迹的最优方式。深入的分析对铝合金构件中比较典型的薄壁构件的加工特点和变形控制方法，主要是依托有限元软件对构件加工造成的变形做模拟和分析！然后借助试验对其进行验证。针对铝合金构件中薄壁构件阵面骨架结构的特性和工艺特点做分析，进而找出解决构件加工变形的原因，制定出构件加工时的定位与夹紧方案，并且设计出有针对性的模具。优化加工工艺，择优使用最佳方法。分析典型铝合金构件的结构，设计阵面骨架模具，优化工艺，然后在此基础上，为进行高速铣削加工，需对刀具类型和有关加工时需要的参数做适当的选择，最后依据图纸给出的要求，从构件表面粗糙度和局部外貌上进行考量，最终制作出所需构件。实验结果初步达到了预期目标，样件加工质量较好，说明了理论分析与仿真结果基本正确，夹具设计方案基本可行，所做工作与成果为今后的实验与研究工作奠定了基础，对实际加工也具有参考价值。关键词：铝合金构件，薄壁构件，高速加工，铣削，工艺优化，变形控制AbstractWith the development of industry, aluminum is widely application start up in various fields, but because of their poor rigidity aluminum alloy structural components, which can easily be deformed in the process, the quality of the processing of the requirements difficult to meet the specified requirements, Therefore, the processing of aluminum components has always been a difficulty. This paper will draw on a project, using CAD / CAM / CAE technology for high speed processing of aluminum alloy components for further study.The tool optimizes the running track at high speed machining. For easily deformable characteristics of aluminum alloy member, but also taking into account the machining efficiency and machining quality, high-speed processing in the vast extent help to solve the above problem, and then taking into account the extremely efficient use of the tool life, from the required tool cut, move fillet knife and respect and so do the optimization, and ultimately the best way to develop a tool path. In-depth analysis on the processing characteristics and deformation control method aluminum component in typical thin-walled structures, mainly relying on the finite element software components processing deformation caused by doing simulation and analysis! With the trial and then validate it. According to the characteristics and process characteristics make aluminum components in front of the skeletal structure analysis of thin-walled structures, components machining distortion of reason and then find solutions, develop positioning and clamping member machining program, and to design targeted mold . Optimization process, preferred to use the best method. Analysis of the structure of a typical aluminum components, front frame mold design, optimize processes, and on this basis, for high-speed milling, the need for tool type and parameters related processing needed to make the appropriate choice. Finally, based on drawings requirements, be considered from the member surface roughness and local appearance, and ultimately produce the desired member.Preliminary test results to achieve the desired goals, better quality sample processing, explained the theoretical analysis and simulation results are basically correct, fixture design solutions are feasible, the work and results of future experiments and research work laid the foundation for the actual processing also has a reference value.Keywords: aluminum components, thin-walled components, high-speed machining, milling, process optimization, distortion control目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1研究的背景和意义11.2国外在铝合金构件加工方面的研究现状11.2.1加工方法11.2.2铝合金构件在高速加工时的走刀路径21.2.3构件加工中装夹技术31.2.4有限元分析在构件加工中的应用41.3本文的主要研究目标、容和方法51.3.1研究目标51.3.2研究容51.3.3研究方法6第2章 构件工艺分析极其选择刀具的研究72.1概述72.2零件材料与结构特性72.2.1零件材料的属性72.2.2零件的结构特性72.2.3零件加工难点82.2.4合理选择构件中的窄槽的加工方法92.3高速铣削下对刀具的具体要求102.3.1对材料的要求102.3.2符合条件下对刀具的结构和几何参数的设置102.3.3高速切削对刀柄的要求102.4刀具材料102.4.1硬质铝合金涂层刀具112.4.2瓷刀具112.4.3立方氮化硼刀具122.4.4金刚石刀具132.5刀具的形状和尺寸142.5.1几何角度142.5.2刀具形状142.6小结15第3章 高速铣削下加工薄壁构件的路径优化163.1路径优化概念163.1.1总则163.1.2刀具路径基本要求的确定163.2刀具路径163.2.1粗加工下刀具路径163.2.2精加工下刀具路径173.3计算机模拟构件加工183.3.1对CAM的要求183.3.2对薄壁构件的模拟183.3.3模拟单矩形孔193.4对刀具路径优化223.4.1多孔下刀具路径的优化223.4.2TSP法233.4.3正交路径法原理概述233.4.4加工路径优化243.5小结25第4章 工件加工变形研究和夹具设计264.1刚性差的工件装夹264.1.1装夹要求264.1.2设计流程274.1.3铝合金薄壁构件的定位与夹紧方案274.1.4减小变形的方法294.2铣削力的理论计算294.2.1力的数学模型294.2.2经验公式304.3薄壁构件变形分析314.3.1有限元概括314.3.2ansys软件概述324.3.3铝合金薄壁构件模型建立354.3.4载荷的施加364.3.5构件受力变形384.4机床夹具394.5小结41第5章 加工试验验证435.1.实验方案和目的435.2实验条件435.2.1实验设备-机床435.2.2实验刀具445.2.3测力系统455.3实验结果与分析465.3.1实验结果465.3.2实验结果分析485.4小结48第6章 总结与展望496.1论文总结496.2展望49参考文献50致53第1章 绪论1.1 研究的背景和意义科技在不断发展的今天，有关机械加工业的发展也紧跟其后，其生产符合市场需求的构件也在不断的更新，这种更新主要是诸如航天、汽车等领域对构件的要求有所不同所致，这也是顺应时代的发展的，现在这些领域对构件的主要要，强度上要高、导热方面要好，然后由到外，在外观上要讲究美观，当前符合这种要求的材料主要是铝合金，绝大部分的构件主要是薄壁构件，其特点可以很好的满足此领域中所要求的，这也正是诸如飞机、雷达、通讯卫星等上面所要求的特殊构件。对于用铝合金制造出来的零部件，存在一些诸如刚性差、结构复杂，同时在加工过程中因收到诸如装夹力、残余应力等多种因素的作用而产生变形，这就在一定程度上不能满足图纸要求，如加工精度和加工质量，从而近一步对零部件的使用性能造成影响。针对铝合金构件的加工特别是复杂薄壁构件的加工，西方发达国家非常重视其加工工艺的水平，因为能否拥有良好的加工工艺，会一下到本国诸如军工、通讯、航空等行业的发展，进而会影响到本国的经济，甚至会对国家的安全带来一定的威胁。国外对其加工工艺的研究成果显著，举例有波音飞机，其尾翼的腹板厚度可以比较准确的控制的0.5-0.7mm，隔板的厚度则可以控制在1.2mm，其在高速铣削加工方面能够将壁厚控制在0.2mm。针对这些容，反观我国在这方面的研究，差距是巨大的，但随着我国科技水平的不断提高，在这方面的研究成果将会慢慢和西方国家的距离拉近，当前针对我国这方面的发展，借助西方的先进技术，可以讲我国相对落后的形势带动起来，并逐步的将我国的引向制造的超级大国，这对我国的发展有其重要的意义。当前的机械生产中，比较先进的一种制造技术是高速切削技术，这中切削相比传统意义上切削在速度上有着10倍左右的差距，高速切削具有的特点主要有切削力不大、切削产热少、切削速度快、切削效率高、加工精度高等，因此，对于加工铝合金构件首要选择就是高速切削技术。针对高速加工复杂的铝合金构件的研究，国外的成果都不多，当前开展的研究课题主要是在切削参数、切削力、加工产热等方面，对此，需借助当前仅有的成果，并且以此为基础做深一步的研究具有重要的意义。在对铝合金构件的加工工艺进行研究，西方国家主要是借助有限元对其分析，通过软件对构件进行模拟操作，然后获取复杂构件的变形规律，对这些规律进行分析总结得出一些结论，然后对症下药提出一些措施，减少加工过程中构件的变形。有限元的全称是有限单元分析法，英文是finiteelementmethod，简称FEM，是一种力学模型数据分析法。当前科学技术的不断发展，将计算机的发展也带到了一个全新的形态，这也就将软件开发也发展起来，并且趋于不断成熟状，对此，大量的有限元软件也出现并且不断的应用到各个领域。作为研发新的加工技术的部门，采用有限元软件对研发技术的辅助作用是巨大的，其方法可以替代做大量的切削实验，这就在研发成本上有了大幅度的节省，同时在时间上，借助计算机的高效快速的计算，时间也大大节约了，所得到的成果，质量有保证，同时也提升了生产效率。 我国当前在这方面的研究是少之又少，为此，对铝合金复杂构件的研究需要向西方国家借鉴，这样有助于我国在此领域的快速发展，现在我国在此方面的研究的不足是，没有理论计算和实验数据。对此本文将依托某科研项目，将研究对象定位在典型铝合金密槽薄壁构件，借助计算机软件做数学模型，然后对其做理论分析，再用有限元软件做模拟和实验相结合的方法来对构件加工变形控制技术做研究和探究！ 1.2国外在铝合金构件加工方面的研究现状1.2.1加工方法 铝合金薄壁构件本身存在刚性差的特点，进而导致在加工的时候容易出现变形。借助实际经验我们可惜大致得到影响其变形的原因有加工时受力变形、切削时热集聚变形、机床运作时振动、残余应力变形、装夹引起的变形等。对此，若想快速有效的提升加工技术，需从以上几个方面入手进行研究，从而找到控制加工变形的方法。对刚度不足的铝合金构件进行加工时，若想将构件变形控制在不存在，这是不可能的事情，但是将其最大限度的降低变形程度是可以实现的，依据文献2的科研成果，对高速加工中的铝合金构件，采取如下的方法可以将其变形控制在要求的围之：（1）使用锋利的切削刀具为减小切削加工过程中的挤压量，需将刀具的尖部做小弧度；对切削时热量的控制，需将刀具的前角加大；对于刀具的后角也要适当加大，如此可以减少刀面与工件的摩擦。 （2）注意材料的选择 在加工过程中按照其受力经验，通常情况下，材料的顺纹方向的伸展率要好过垂直方向的延伸率。当进行加工时选择沿着顺纹向进行铣削加工，过程中存在刀具表面挤压和与之工件的摩擦的影响，工件的表面伸长会加大，因此会加大变形，是导向不利于加工要求的。结论是在制定工艺路线时要尽量避开顺纹向加工，如此操作可以有效控制加工变形。 （3）补偿应变铣削加工工件时采取的同方向加工，会对工件两侧的对应面产生拉伸运用，这种拉伸会对单向延伸有一定的阻挠运用，也就是说可以对工件变形有一定的限制作用。（4） 冷却润滑液的恰当使用主要是对刀具的保养层面考虑，刀具的有效保护，可以减少加工时产生的热变形，间接的对变形有一定的作用。 （5）做好成型前的热处理工作这项工作主要是针对残余应力的，在工件成型前的热处理，可以消除加工时产生的应力，对工件做调质处理，可以除掉残余应力，同时对工件的硬度的提高有促进作用，总之，可以提升工件质量。（6）夹具的恰当选择针对铝合金所存在的刚性差的特点，然后再考虑生产要求，诸如结构上的复杂性和特殊性，在选择使用各种夹具是非常重要的，夹具中的夹紧力和支撑力都是造成变形的原因，因此，多方面的考虑，再选择使用各种夹具是有效控制变形的一个方面。（7）切削用量的选取针对这个方面的影响，背吃刀量是影响变形的首要因素，并且成正比例关系，而其切削速度是反比例关系！因此，有效控制变形并且提高生产效率，需要减少背吃刀量，提高切削速度和恰当的进给量。 （8）走刀路径 选择适合的走刀路径，对刀具的使用寿命、切削效率和工件的加工质量都有其重要的影响。在高速切削加工工件的过程中，要依据工件的情况做恰当的选取，其选取的原则是：背吃刀量要取小，进给速度要取大，切削时荷载尽量维持不变，铣削时取顺，精加工时要保持连续性加工。如此按照这样的原则才能做出工件变形最小。 1.2.2铝合金构件在高速加工时的走刀路径实现高速切削加工技术，需要的条件是要强化机床、刀具、夹具等设备的承载能力，同是对于走刀路径也需要做一定程度上的改进。倘若忽视上面提出的改进条件，其后果是要严重的，在切削过程中，设备如果打不到要求，就会在高速切削过程中产生切削荷载突变，这种突变力会加工的工件和设备自身带来重大的冲击，不但保证不了工件的加工质量，甚至会损坏机床。高速切削加工带来的速度问题，如果加工路径不合理选择，直接会导致走刀重复，增加刀具行程时间，降低生产效率，成本也不会有所节约。 对文献6的研读，指出影响高速切削刀具路径的因素主要有:切削负荷，其需要控制在极限负荷的围；残余应力，其需要控制在指定极限围；不论是顺铣还是逆铣，要保持恒定；机床要有承受切削速度和加速度 能力；减少空程移动；避免突变的材料切除率；最短化切削时间。针对实际的高速加工零件，在路径路径编制过程中要参考文献7中给出的原则设计刀具路径，主要容有:（1）进刀方式采用螺旋式或者圆弧式，并且是缓慢切入，其目的其尽量避免突变力的产生和延长刀具的使用寿命。（2）切削要连续平稳，速度上要择取适当且要连续。目的是避免突变出现。（3）为保障切削过程产热少、切削力度小和排屑顺畅，需选择小轴向切深。 (4)顺铣是高速切削的首选，其所具有的特点有，加工过程稳定，对刀具损害小，加工出来的工件的见面质量最好！机械化时代的到来，对生产效率有了一定程度上的要求，这是供求关系导致的，针对提高一个零件加工速度，主要从两个时间来提高，即实际切削时间和刀具空行程时间，若想减少一个零件的加工时间，提高生产率，需要同时将两种时间缩小，其可实行的策略其合理安排刀具加工路径，也就是说要尽量的优化路径，尽量减少空行程时间。充分研究和优化刀具路径对大量加工构件有相当重要的意义。路径优化问题是一个数学问题，其优化的目的是让道具在所有的路径中选择长度最短的走，在刀具加工的区域是点集，这样问题就可以利用数学上的旅游商问题来解决这个刀具路径有话问题。数学上对旅游商问题的描述是这样的：有一盒旅行售货商要从他所在的城市出发，到周围的几个城市出售货物，每个城市去一次，最后回到出发点，求他的一条最短路径。对TSP(traveling salesman problem)做扩展，就可以形成一种节点可变的广义的旅行商问题（generalized traveling salesman problem，简称GTSP）。文献891011在对路径有话方面的研究都是采取了旅行商问题模型，并且寻找到了解决刀具加工是存在的诸如路径冗长、效率低下等问题。在文献9中利用平面多轮廓加工路径优化模型，实时的对目标函数做了优化，并给出结束条件。针对路径有话的方法，除了使用旅行商模型，还有其他的模型可以进行有话。在文献12中，是运用一种遗传算法对刀具路径排布的有话，文献13是空群规律性排布下的正交优化方法。并且提出此种方法可以提高加工精度。文献14给出可以解决切削槽加工中刀具路径有话的问题的奇数偶数点图作业法和最小权对集法。文献15则针对孔加工路径问题将其分为两类做路径优化，分别是同类孔加工的路径优化和非同类的混合加工路径优化。同类的采用路径最短化优化和X方向优化路径等，针对不同类型的混合加工的则是从工序上和路径双方向来考虑。1.2.3构件加工中的装夹技术装夹技术的发展对工件的加工精确度有很大的帮助，在加工过程中，装夹就是对毛构件定位和夹紧工件。针对铝合金薄壁构件高速加工时所需的夹具，设计时除了要有基本的功能外，还有考虑到铝合金本身刚性差的缺点。正是由于这一不足，加工过程中产生的装夹力、残余应力等都非常容易使构件变形，除此之外，对于薄壁构件，其装夹位置、装夹顺序与其方式也是产生工件变形的原因，但是，在众多影响工件变形的因素中，装夹时产生的应力对变形的影响大约占据2060。对此，大部分学者把铝合金构件加工过程中变形问题视为瓶颈问题。但是，对夹具的设计也是加工铝合金薄壁构件必须要做的一项工作，也是重中之重的工作。在国针对薄壁构件装夹方案的研究有很多，主要的研究的容是对其做进一步的优化和改进，如为避免部分变形过大，并且让其趋于变形均匀化，改变支撑力的数目，让处在集中作用力的支撑分散受力；改变力的作用位置，合理分配夹紧力和支撑力的作用面，具体说，在刚性良好的表面尽量受夹紧力作用，在刚性差的表面让其受支撑力作用；改变力的大小，在力的数目和位置确定以后，尽量选取小的夹紧力。针对装夹方法问题上，有多数的学者提出了不同于传统意义上方法。文献21中提到的射流法，其主要是用来加工大型薄壁构件时控制变形的，工作机理是，在切削敏感方向使用高压液体，对准正在加工的工件部分喷射，这样以来，可以起到浮动支撑作用，进而可以有效的减少切削力产生的加工变形。文献3提出在加工过程中使用一种辅助支撑的方法。文献22则是针对航空薄壁构件加工而提出使用拉伸装夹方法，并且结合有限元软件对其过程中产生的残余应力做数据模拟。文献24是直接利用有限元分析方法，对加工工件时使用的装夹方式做模拟来观察其对加工造成的影响。基本前提是加工工件表面所需的残余应力存在，从控制构件加工变形的角度出发，对装夹方案做优化。如此所得到的结论是，框类零件的加工采用拉伸式装夹是可以的，但是，若想将构件变形控制在要求围，需要在操作中将拉伸力尽可能取小，模具的拉伸距离尽可能取大，并且拉伸位置最好不要超出刚性良好的位置，除此之外，也要考虑到拉伸装夹位置和顺序、拉伸力等对工件精度的影响。在另外一部分学者中提出使用柔性夹具，就是在加工构件时将型腔注入液体，进而提高构件刚度。在文献24中，提出并且论证了在加工薄壁构件时使用磁流变夹具可以达到预期效果，其工作流程是：加工构件外部，其部需要注入磁流变液，然后通磁，此时，部液体会变成固体，将工件夹紧，达到减小工件变形的效果。完毕后，断磁，去除磁流液体，完成构件的加工。1.2.4 有限元分析在构件加工中的应用在国际上，针对金属构件的加工过程进行有限元分析的研究早已存在。1940年，关于金属切削机理的研究，Mechant，Pilspanen等人对其建造了金属切削剪切角模型，同时给出了剪切角和前角关系。 随着计算机技术的不断进步，有限元软件不断额成熟，并且在当前逐渐成为模拟金属加工过程的有力工具。Lajczok于1980年建立正交切削模型，并且从实验中得到，在忽略切屑的前提下获得了切削力。1984年，人们对工件材料进行假设，将其理想化为钢塑体，然后利用有限元对其进行模拟，容是低速切削和低应变下的稳定切削过程。另外一批人诸如Strenkowski和Carroll等人则是将其定义为弹塑体，并且定义切屑和刀具的接触面为绝热面，通过分离原则为等效塑型应变切屑，分析刀具、构件、切屑之间的温度、应力和应变的变化。有限元技术的不断发展，所作用的领域也在不断的扩大，普通切削加工和精度要求比较高的切削加工都可以使用。1993年Moriwaki等人使用有限元方法对无氧铜的微切削过程做了模拟，主要研究容是刀具与工件之间温度的分布情况。在最近，科技大学的ShipPeng Lo等人对超精度切削过程中切削热对切削力和工件变形的影响做了研究。起步晚的中国当前正处在探索阶段，其科研成果也是显著的。文献33是以钛合金航空构件为例，利用有限元方法，对周铣加工过程中切削力变化和表面变形的误差分析做系统的研究，同时提出一些关键性的技术，如三维下非规则网格的刀具和工件变形的耦合叠加格式以与恒定网格下材料去效应的变刚度处理方法等。 文献34是研究薄壁构件变形特点，将处在不同的切削区的切削模型做实验文献35是通过理论分析了航空薄壁构件在加工时的变形机理，同时建立了铣削力学模型。文献36是研究铣削过程中让刀误差和优化铣削参数，其例子是薄壁板，在高温下拉伸或者压缩获取材料力学性能为前提，建立薄壁板铣削加工过程的热力耦合有限元模型。通过模拟并且分析螺旋立铣削刀与零件加工时之间的作用力的关系，获取铣削刀的力的变化曲线和因力所产生 铣削热的分布状况，进而依据曲线分析得到在刀具与工件之间的物理作用对壁板随刀具的旋转进给运动而产生让刀变形，最终得到薄壁板在高速加工过程中产生的最大让刀误差。对此有限元模型的结果分析得，若要减小让刀变形，需对薄壁件铣削用量和刀具的几何形状做优化处理。针对这方面的研究，其方法雷同，都是借助有限元软件对其进行分析，并且模拟出高速切削加工过程中出现的工件变形、切削、应力分布、温度场等。文献37中，按照ANSYS软件的使用要求，对工件做了诸如建模、网格划分、设置边界条件、添加荷载、求解器计算等步骤，然后分析了刀具和工件的受力情况。文献35中是依据弹塑性理论为基础，建立起材料的应变硬化模型，然后借助有限元仿真技术，使用ansys软件可以生成二维正交金属切削过程中剪切层与其切屑而进行模拟仿真，且从其分析的结果中获取了应力应变云图和网格的变形图，进而找出切屑的形成过程和分析了剪切层的出现、刀具和工件的应力以与切屑层的应变变化情况。文献39是借助MSC.Marc软件对高速切削过程下加工的薄壁构件用弹塑热耦合有限元方法进行有效模拟，研究其变形区域的温度、应变、应力和切削力的分布。并且通过是结果得出结论是：在2D平面应变结构中，在热祸合的情况下，其在刀具前方的变形区和刀具经过的表面的主要应力是残余应力，其数值是非常大。文献40则是利用新拉格朗日方程对高速金属切削加工过程做了模拟，并且在刀削接触表面上建立两类模型，即粘结滑移摩擦模型和库伦摩擦模型。在两种模型中，对切削力、切削厚度、刀削接触长度和吃刀抗力做模拟获取预测数值，然后与相关文献的检测结果做比较分析，结论是粘结滑移模型优于库伦模型，更加与实际情况相吻合。也就是说，刀切屑接触表面上在高速加工过程中会同时存在粘结和滑移摩擦。文献42是采用Johnson2Cook（JC）模型对工件材料做模拟，采用的失效准则是JC破裂模型，利用建立起来的有限元模型，分析了四种不同切削条件下的材料加工时切屑的形成过程，获取了是相应情况下的切削力，并且进行对此分析，得到了一样加工条件下不同的不连续状的切屑的形成，从切屑形成机理上，其不连续状切屑的与在自由表面破裂的锯齿状切屑的是不一样的。1.3本文主要研究目标、容和方法1.3.1研究目标研究对象是波导器件，使用的方法是通过理论分析、数学建模、数值模拟和试验对高速加工中刀具选择、走刀路径、夹具设计和切削参数等基本加工工艺做一定程度的研究。1.3.2研究容（1） 铣刀在高速状态下的选用与其参数的设置在高速加工过程中，刀具各个部分的离心力同切削力作比，前者远远大于后者，这就从侧面说明处在这样的状态下加工构件，需要刀具具备一定的要求，具体对刀具做出的规定要求要根据加工材料的不同而定，其规定做出要求的刀具方面是，构成材料、制定的形状、尺寸的大小和加工过程的情况。之所以对刀具做诸多的要求，主要是因为在高速加工过程中刀具发挥着重要作用，高速加工过程中最重要的一步则是在有效合理的选择刀具上。刀具的决定因素如下：刀具的形状要顺从构件特征；其形状由最小圆角确定刀具的尺寸参数；刀具的品牌或者说刀具的类型，要依据当时市场情况和使用寿命而定；最后组合与整个机床工作，这其中要在完成几何特征加工的基础上，让其切削力和构件变形最小化。（2）合理的选择走刀路径传统意义上的 NC程序不能满足当前处在高速加工下的路径选择，在高速加工下，其特殊环境下的铣削在控制上具有复杂性，若想保证高速下切削设备的合理运作，刀具的走刀路径的合理制定是首要考虑的。假设使用了不合理的走刀路径，高速铣削会对刀具和机床造成重大的破坏性，刀具的寿命和机床的局部或者整体都会有很大的影响。因此，在此方面要注意以下几点，刀具路径要平稳恒定，下刀要注意避免直入，而采用圆弧下刀或者斜下刀，端点处要连续等。（3）专用夹具设计和工件安装方案的制定铝合金构件自身所具有的刚性差，受力诸如切削力、夹紧力和残余应力等的作用容易变形，因此，若想保证构件的质量，关键是要控制好其变形，而控制的主要措施是装夹方案的制定。初步定位构件和确定夹紧方案的依据是理论上的分析，然后借助ansys软件对受力情况和工件变形情况做模拟分析，最后通过实验来验证，确定方案，将加工的构件变形控制在允许的围。1.3.3研究方法（1）理论分析依据是金属加工原理，分析薄壁构件的结构特点与其加工难点，找出构件变形原因，优化刀具路径和设计夹具等。（2）数值模拟通过数值模拟可以分析出工件的变形情况。存在的问题，如何简化加工模型、如何建立有限元模型、ansys软件中如何建模等一系列的操作。（3）试验验证最为有效的研究方法就是试验，论文中所涉与到的此类研究有刀具路径优化、设计试验方案、数控程序编制和现象分析，最终得到切削加工参数。通过理论分析和试验验证，得到控制构件变形的有效措施！第2章 构件工艺分析与其选择刀具的研究2.1概述刀具的选择在高速加工中有些举足轻重的地位，也是至关重要的一步。之所以要严格选择刀具是因为高速加工中刀具各个部位受到的离心力要远远的超出切削力的作用。如图2.1所示，影响刀具选择的因素主要有12种因素。图2.1影响刀具选择的因素2.2零件材料与结构特性2.2.1零件的材料属性表2.1LY12的化学成分合金元素 %杂质 % 不大于CuMgAlMnFeSiZnNiTiFe+Ni4.0-4.81.3-2.0else0.4-1.00.50.50.30.10.150.5工件材料选自硬铝合金LY12，是铝铜玫系，其化学成分见上表。由表知，其主要成分是铜镁锰中溶有铝，并且处于宝盒状态，所以这类合金的硬度很高，在一般情况下，其拉伸度为450MPa左右，其屈服强度在270-280MPa。另外在性能和醒上都比较好，被广泛的应用于雷达等高科技设备中起承重构件。其他指标在通常温度下，其硬度HB为130，热导率是190W（m.），线膨胀系数为22.7x10-6。这其中之所以加工比较好，是因为合金中铜的含量比较高，热导性能比较好。但是，对于线膨胀系数比较大的合金，在加工的过程中，其变形的控制是困难，其精度也就不容易把控。弹性变形的发生条件之一是弹性模量低于68GPa。2.2.2零件的结构特性零件结构模型如图2.2所示，其结构特征如下:（1）工件尺寸，单位是mm，长度宽度壁厚，即270800.5；（2）矩形孔个数和倒角，表面孔数是352个且排列整齐，尺寸是100.5mm，倒角为0.1mm，外加孔径为3mm的通孔在左右下角;（3）矩形孔的水平距离和竖向距离定位如图2.3，其定位精度高;（4）加工后的表面尽量不要存在划痕，在轴线的上方或者下方处且处在同一列的矩形孔，其偏差量要一样。依据上述特点可以得知，构件是尺寸大而刚度差且是复杂形状的薄壁构件。图2.2工件的外形与主要尺寸图2.3工件局部放大图2.2.3零件加工的难点分析了上文中工件的属性和结构，对加工构件的过程中，还需要注意一下几点：(1)工件壁薄难装夹。夹具的设计要满足两点，一是定位并夹紧工件，二是使用前后不要出现残余应力与装夹变形。(2)槽的尺寸小且有半径为0.1mm的圆角，定位和质量上要求高。此种特殊的要求相对于常规的尺寸而言已经超出了围要求，若想在粗加工或者精加工上很好的控制好精度，需要对刀具的加工工序做合理的设计。图2.4小槽分布示意图(3)有分布规律的小槽出现在构件上，且不是在同一条直线上，两条直线之间存在危险的位移差，如图2.4所示。此种小槽存在于8行44列之中，对其进行加工则需要提前做好规划，如优化好刀具路径，减少空行程，用最短的时间最小的功耗完成符合要求的工件加工。(4)零件超薄 原因会导致在加工过程中出现槽的周围卷边或者毛刺等问题，如图2.5所示。只从表面上观看就远远不符合其所要求的精度，对比，需要采取一些措施，避免出现此种情况，进而提升加工质量。图2.5加工表面缺陷综上所述，对于宽厚比大于160的构件加工，其中槽的尺寸小且质量上要求高的，结合铝合金刚性差等原因，首要解决的问题是控制变形。尽最大限制的使切削力和其中产生的热量最小化，实现这一目标需从工艺设计方案角度做设计，如此才能加工出精度高的构件；刀具磨损最小化，使用寿命最大化；适当的选择切削参数和路径优化，以加工效率为目的，尽量减少停机换刀时间；研究出解决加工时出现卷边和毛刺现象出现的方法。2.2.4合理选择构件中窄槽的加工方法在高速加工过程中，对优化了传统意义上的刀刃部位的加工原理，其采用的切削形式是小切削量和高切削速度，如此可以有效的改善切削性能和极大的降低切削力，同时在加工时切削下来的大量切屑可以带走大量的切削热，如此对于工件变形情况，无论是处于加工时存在热量和受力还是加工后给予冷却处理，其影响是很小的。借助当前具有的设备，遵照构件加工要求，使用高速铣削，对铝合金薄壁构件进行高速加工实验研究。下面就针对实验时需要的刀具做初步分析，然后选择合适的刀具。2.3高速铣削下对刀具的具体要求刀具技术的发展在整个高速加工中的作用是巨大的，它的发展极大的促进了高速铣削技术的发展。而在发展刀具技术的过程中，阻碍最大的因素是刀具材料，具体说就是材料的耐高温和耐磨性问题。在高速铣削加工技术中主要的技术是高速刀具系统、高速切削工艺和机床。经过几十年的发展，刀具的材料和制造技术有了巨大的变化，其极大的推动了刀具类型的扩展和使用，当前业主要使用的几种刀具是瓷刀具、CBN刀具和金刚石刀具。为迎合市场需要，需对其综合性能提高，于是发展了镀层技术和烧结瓦层技术。刀具性能在高速切削技术的不断要求下逐步提高，刀具技术得到了发展，进而促进了高速切削技术的发展，其应用围更加广泛。另一方面，速度的提高也对刀具的各方面有了新的要求，如材料、几何外形、结构和切削工艺的参数，都高于普通意义上的要求。从经济的角度，合理的选择刀具和优化参数，可以多方面提升刀具的性能，如加工效率、质量、刀具的使用寿命、节约材料节省成本等。2.3.1对材料的要求相对于传统切削，在高速状态下产生的切削热和刀具的耐磨性要高很多，所以，在选用材料上要特殊于普通的，针对上面的分析，其主要的材料要求去下：1)高硬度、高强度和耐磨性;2)韧度高，抗冲击能力强;3)高的热硬性和化学稳定性;4)抗热冲击能力强等。2.3.2符合条件下的刀具的结构和几何参数的设置在刀具技术中，其主要组成部分有刀具的材料和结构、切削刀刃几何参数和起刀时如何断屑方式，在高速加工过程中这些部分会对构件的切削效率、切削的表面质量、刀具的使用寿命和切削热等产生很大的影响。众所周知，热对构件变形的影响是巨大的，在高速加工过程中会产生一种切削热，它的热量会在产生之时与时的传递给与之相接触的物体，因此，知道这样的一个原理，在高速切削加工中，需要找个办法将这部分热量排除，构件在加工时是会有切屑产生的，当前就需要一种方法将多余热量传递给切屑，然后借助高速离心作用，让切屑带走大量的热量。对此，刀具的合理设计能解决这样的问题，在刀具的几何角度设计上，需要注意的有以下几点：1）为产生足够大的切屑厚度来带走过程中产生的热量，需要择取恰当的进给速度和刀具后角，目的是避开切削硬化；2）选择合适的刀刃前角；3）切削载荷与刀具切削刀刃的进给量有关。多片镶嵌刀具的荷载作用于每一个刀片上，实体刀具的则作用在每个齿上。所以，在选择上要依据数值来决定。2.3.3高速切削对刀柄的要求其要求主要有高精度的夹紧、转矩的传递性要好、结构要对称和外形尺寸要适中。2.4刀具材料 刀具的好坏取决于材料的选择，同时刀具的好坏也是保证高速铣削技术的因素之一。传统的高速状态下的加工会产生大量的热量，为解决这个问题，需要找到一种能够耐得住高温的材料制作铣削刀具。在我国现在的数控加工业中，按照材料的种类有如下几种是比较符合要求的，主要有硬质铝合金涂层刀具、人造聚晶金刚石刀具、金属瓷刀具、立方氮化硼刀具、瓷刀具等。2.4.1硬质铝合金涂层刀具硬质铝合金的制造是以金属碳化物做硬质相，特点是刚性和熔点高，用铝和镍等做粘结相，在研磨成粉后，成比例的混合，制造成型，最后高温高压下制作而成，此种合金按其成分分成三大类：P类是用于加工长切屑的黑色金属，相当于我国的YTK类是用于加工短切屑的黑色金属，有色金属和非金属，相当于我国的YGM类是用于加工长或者短切屑的黑色金属和有色金属，相当于我国的YW。表2.2常用金属碳化物与涂层物质的主要性质碳化物性质熔点硬度HV弹性模量GPa密度G/cm2热导率W/n.k线膨胀系数10-6/WC2900240070516122.16.2TiC380031004504.9030.77.4NbC3500180029014.322.26.3TiN300024003457.8014.566.6VC289019002565.4528.899.35TaC390028004405.904.206.7Al2O3205030005503.9033.98.6合金刀具在传统的金属切削加工中所起到的作用是非常巨大的，其所具有的特点是材料的韧性高，通用性强、抗冲击能力高等优点。但是存在不能实用于高速铣削的缺点，那就是耐磨性和耐高温性很差。通过实验数据得到，高速加工过程中，在刀具上产生的热量大约是在1000摄氏度左右，处于此种状态下的刀具很难保证不产生机械摩擦损害、延伸性磨损、和氧化磨损。对此，若想在高速铣削加工过程中刀具的使用更加合适就需要研究出能够符合高硬度和耐高温性、耐磨损性高的材料。对于涂层技术，当前比较常用的方法有两类，主要是按照技术对其分类，有化学相沉淀技术（CVD）和物理气相沉积技术（PVD）。其主要的技术原理是在刀具面上加工上数道高性能材料，以此来达到充分发挥刀具自身优势的同时还能进行高速切削工作。上个世纪六十年代，化学气相沉积技术兴起，然后逐步的扩展开来，在行业中被广泛的运用，其原因是此项技术的涂层与基体的结合非常稳固，其涂层厚度可控精度广，对此来说，化学气相沉积技术的涂层后具有很好的耐磨性。按照当前的发展趋势看，化学气相沉积技术的应用领域主要是在硬质铝合金刀具的表面涂层，经过涂层处理的刀具主要是用于中型或者是重型切削加工。随后，在二十世纪七十年代，物理气相沉积技术诞生，涂层的对象是高速工作下的钢刀具。由于高速加工中存在的一些原因外加钢这种材质中存在的不足，钢刀具在高速加工中的使用率成下降趋势，并且逐渐被硬质合金和瓷刀具所替代。物理气相沉积技术在硬质合金刀具上的使用出现在九十年代，并且技术不断成熟中。2.4.2瓷刀具类型包括涂层瓷刀具、金属瓷刀具、氧化铝瓷刀具、氮化硅瓷刀具等。氧化铝瓷刀具，其主要成分是三氧化二铝，加工方式是高温高压或冷压，然后烧结形成。与硬质合金做比，具有的特点如下：1）硬度和耐磨性更高其所具有的硬度数值为HRA93左右，耐磨性高于硬质合金的五倍。2）耐高温性更强如图2.4所示，可以得到的结论是瓷刀具的耐高温性非常好，实验数据也证实，其在高速加工过程中所达到的速度是硬质合金的5倍左右。图2.4 A1203瓷与硬质合金的高温硬度3）化学稳定性高以与抗粘结性好化学惰性介于碳化钛和碳化钨之间的三氧化二铝，其与金属的亲和力非常小，在产生作用方面，其与金属的反应能力都比那些碳化物、氮化物或许是其他化合物的都低。三氧化二铝若想与钢有粘结作用发生所需要的温度在1540摄氏度以上，相比那些碳化物等温度都要高很多，因此其产生的粘结摩擦损失将大大减小。另外三氧化二铝在高温状态下不容易被氧化，所以适合在高速加工下产生的高温中对工件做连续的切削。种种特性都是非常重要的在高速加工过程中。4)较低的摩擦系数在加工过程中，瓷刀具的摩擦系数之所以小是因为刀具与工件之间的粘结和切屑存留率低。如此以来，刀具的磨损减小了，其刀具的使用寿命增加了进而加工的工件表面也平滑可，与此同时，其加工是产生的切削力相比硬质合金的要小许多。5）热导率低且强度和韧性差。抗冲击载荷能力差主要是由瓷刀具的脆性大、抗弯和韧性差导致的，相比硬质合金的热导率，其仅是1/21/3，而线膨胀系数则高出3/10，说明抗热冲击性能差。氮化硅瓷刀具在与金刚石的相比较，硬度上差距不算大，所具有的特点是耐热性和抗热冲击性良好，在高速切削时，其性能上要高于瓷的。晶须强化瓷刀具具有很强的抗弯强度，能克服刀具的破裂。2.4.3立方氮化硼刀具PCBN刀具是人造立方氮化硼刀具，在高温的时候还能保持高硬度的特性，主要做加工铁件之用。立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。CBN和金刚石的硬度和抗压强度是非常接近的，主要原因是都是闪锌矿型，所具有的晶格常数类似，所存在的化学键一样。除此之外，因存在N、B的关系，其所具有的热稳定性和化学惰性高于金刚石的。为此，介绍PCBN刀具材料性能如下：（1）硬度和耐热性高。CBN的硬度是HV80009000，而PCBN则是HV30005000。在加工高硬度材料且对瓷有耐磨性要求时可以选用PCBN刀具，并且能对构件的加工精度有一定的控制。（2）热稳定性好和高温下硬度比较强。其能耐热性为HV14001500，温度在八百摄氏度时是TiC/Al2O3为常温硬度，所以，切削加工时产生的高温能够软化材料却可以使硬度更强，进而促进加工，并且对刀具的使用寿命影响小。（3）化学稳定性好。其具有很强的抗氧化能力，高温下亦是如此。温度在一千摄氏度左右，与铁不会有任何反应，但与水会有水解反应，所以PCBN刀具在湿式切削加工时要对切削液的选取有所顾忌，以免带来不必要的损失。从刀具寿命的角度，湿式切削对其是不利的，进而在加工时选择干式切削加工。（4）导热性好。相比金刚石的导热系数，PCBN的要低，但大于硬质合金的，当提高温度后，PCBN刀具的导热性就会一直增加，所以刀尖 上的热量与时消散，利于构件对精度的质量把握和精度上的提高。（5）摩擦系数低。与众多材料摩擦系数相比，CBN的摩擦系数在0.2左右，且此系数会因为摩擦速度的减小和压力的减小而变大一些。所以，具有低的摩擦系数和优良的抗粘结能力，会让PCBN刀具在告诉切削时不易出现屑瘤和滞留层，进而有利于提升工件质量。目前，虽然PCBN刀具材料的价格相对硬质合金与瓷刀具的价格还偏高，但均摊到每个工件上的刀具成本却低于其他材料刀具，采用先进切削加工工艺时，若将磨削机床等设备投资摊入生产成本，则PCBN刀具的使用会带来更大经济效益。对一般中小企业来说，精加工工序的磨削加工始终是制造过程的瓶颈，若购置性能好的车床，采用PCBN刀具，应用以车代磨等先进切削加工工艺，即可节省设备投资、提高生产率，又可大大增加加工过程的柔性。另外，目前由于人员费用的增大与环境保护方面的要求，大力推广使用PCBN刀具，充分发挥其潜在效能，提高切削加工技术水平也是具有重要意义的。2.4.4金刚石刀具金刚石刀具的