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难加工材料螺旋铣孔的数值模拟与实验研究

作　者: 张恒
导　师: 刘刚
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 螺旋铣 难加工材料 有限元模拟 工艺参数 切削力 加工质量
分类号: V262.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 27次
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内容摘要


飞机结构件装配时通常需要进行大量高效率、高精度、高质量的孔加工。然而,随着钛合金、复合材料及其叠层结构等新型材料被广泛用于制造飞机结构件,传统钻孔方法由于切削力大、刀具磨损严重以及加工质量难以控制等问题,严重影响结构件的连接强度和疲劳寿命,已很难再适用于飞机制造装配行业。作为一种新的孔加工技术,螺旋铣孔术能有效改善刀具的散热和排屑条件,降低轴向切削力,提高加工质量和刀具寿命,并实现一把刀具加工不同直径的孔,是当前国内外难加工材料制孔工艺研究的热点和难点之一。本文借助理论建模、数值模拟与试验研究等方法,针对钛合金及碳纤维复合材料等航空难加工材料的螺旋铣孔工艺展开研究。首先,介绍了螺旋铣孔的运动特征,通过对刀具进行运动学仿真分析了螺旋铣孔刀具的切削机理,并得到了侧刃钻削及端刃铣削的切削层参数；分别对侧刃及端刃进行受力分析,采用微元离散、坐标转换、数值积分方法建立了螺旋铣孔切削力的解析模型。研究了金属切削有限元模拟的关键技术,通过准静态压缩和高速压缩试验建立了航空钛合金TC4DT的材料本构模型；根据螺旋铣孔工艺的加工特征,首次建立了航空钛合金TC4DT的螺旋铣孔切削过程的三维有限元仿真模型,基于切削力的数值模拟结果和力学解析模型实现了对螺旋铣孔切削力的瞬时预测。根据飞机装配现场的实际加工条件,构建以机器人为移动载体、螺旋铣孔终端执行器为加工单元、螺旋铣孔刀具为切削工具的加工试验平台；为验证有限元模型的正确性,对钛合金材料进行多组工艺参数条件下的螺旋铣孔实验,切削力的试验结果与有限元预测结果基本一致,有效验证了有限元模型的正确性。同时,分析了工艺参数对螺旋铣孔切削力大小、表面质量、出口毛刺及加工精度的影响。最后,采用机器人螺旋铣孔试验平台对碳纤维增强复合材料(CFRP)进行正交试验,采用极差分析与方差分析方法讨论了刀具主轴转速、每齿进给量、轴向切削深度等工艺参数对切削力的影响规律；通过对加工缺陷的监测,探讨了轴向切削力与复合材料分层、撕裂等缺陷之间的关系；最后对工艺参数进行优化,经试验验证优化后轴向切削力较优化前降低26%以上,孔入口及出口处均无撕裂、毛刺,加工质量最优。

全文目录


致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目次  8-11
第一章 绪论  11-22
  内容摘要  11
  1.1 引言  11-12
  1.2 航空难加工材料特点及其应用  12-14
    1.2.1 难加工材料特点及其应用  12-14
  1.3 难加工材料制孔技术  14-16
    1.3.1 传统钻孔及其存在的问题  14-15
    1.3.2 螺旋铣孔工艺及其特点  15-16
  1.4 难加工材料制孔技术研究现状  16-20
    1.4.1 难加工材料钻孔研究现状  16-17
    1.4.2 螺旋铣孔技术研究现状  17-20
  1.5 论文研究意义及内容  20-22
第二章 螺旋铣孔切削工艺理论基础  22-35
  内容摘要  22
  2.1 螺旋铣孔运动学  22-26
    2.1.1 螺旋铣孔切削参数  22-24
    2.1.2 螺旋铣孔切削层参数  24-26
  2.2 螺旋铣孔动力学  26-34
    2.2.1 侧刃切削力  27-31
    2.2.2 端刃切削力  31-34
  2.3 本章小结  34-35
第三章 钛合金螺旋铣孔有限元模拟  35-52
  内容摘要  35
  3.1 钛合金材料模型  35-40
    3.1.1 Johnson-Cook模型  35
    3.1.2 材料动态性能试验及分析  35-40
  3.2 有限元模拟关键技术  40-43
    3.2.1 切屑分离准则  40-41
    3.2.2 摩擦接触模型  41-42
    3.2.3 传热模型  42-43
  3.3 螺旋铣孔有限元模拟  43-51
    3.3.1 有限元建模  44-46
    3.3.3 模拟结果及分析  46-51
  3.4 本章小结  51-52
第四章 钛合金螺旋铣孔试验研究  52-67
  内容摘要  52
  4.1 螺旋铣孔试验系统  52-54
  4.2 有限元模拟验证试验  54-58
    4.2.1 试验设计  54-55
    4.2.2 切削力曲线比较  55-57
    4.2.3 切削力大小比较  57-58
  4.3 螺旋铣孔工艺试验  58-66
    4.3.1 试验设计  58-59
    4.3.2 切削力及切屑  59-61
    4.3.3 加工质量  61-63
    4.3.4 刀具磨损  63-66
  4.4 本章小结  66-67
第五章 复合材料螺旋铣孔试验研究  67-78
  内容摘要  67
  5.1 试验条件  67
    5.1.1 试验材料  67
    5.1.2 试验设计  67
  5.2 试验结果分析  67-77
    5.2.1 切削力  67-72
    5.2.2 分层与撕裂  72-75
    5.2.3 工艺参数优化  75-77
  5.3 本章小结  77-78
第六章 总结与展望  78-80
  6.1 总结  78-79
  6.2 展望  79-80
参考文献  80-83

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空制造工艺 > 飞机制造 > 飞机装配
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