铣削工艺参数优化及残余应力控制研究

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残余应力对零件的疲劳强度、抗应力腐蚀能力及其工作稳定性等具有极大影响,也是导致零件加工变形和影响零件精度指标的主要原因之一。其对航空薄壁整体结构件的变形问题尤为突出,引起相关领域国内外学者的高度重视。因此,如何减少和控制残余应力成为国际先进制造理论与实践急需攻克的主要难题之一。  目前对残余应力的研究主要集中在铣削工艺参数、刀具参数、冷却条件这三方面,而缺乏考虑不同铣削方式及连续加工走刀轨迹重叠方式对残余应力的影响规律。  本文主要针对不同铣削方式、走刀轨迹叠加方式及工艺参数优化展开研究。论文的主要研究内容及成果如下:  (1)构建了连续走刀模型,提出了残余应力的获取方法,构建了分析计算模型,研究分析了不同铣削方式对残余应力的影响以及高速铣削效应。研究结果表明,1)在较低切削速度150m/min情况下,逆铣加工产生的残余拉应力和极差均小于顺铣,拉应力最大可降低45%,极差最大可降低43%。2)在较高切削速度678m/min情况下,顺铣与逆铣对残余应力的影响差异不大。3)较高切削速度下残余应力层深度比低切削速度浅,且随着切削速度提高,应力增长幅度远远小于材料去除率增加比率,如切削速度从150m/min提高到678m/min时(其它工艺参数不变),材料去除率增加3.5倍,而残余拉应力值仅增加0.48倍。该研究结果表明,采用较高的切削速度有利于实现加工质量和生产效率的完美统一。  (2)构建了连续加工表面模型,研究了两种走刀轨迹叠加方式:“逆铣覆盖顺铣表面”和“顺铣覆盖逆铣表面”对残余应力的作用机制。结果表明,“逆铣覆盖顺铣表面”的叠加方式可获得较小残余应力值,拉应力值最大下降比例达46%。  (3)研究了考虑材料去除率及减小残余应力的工艺参数优化规则。结果表明,1)在较低切削速度150m/min情况下,采用顺铣加工时,相同材料去除率条件下,减小残余应力的工艺参数优先顺序为进给量、铣削宽度、铣削深度,优先选用“小进给量、小切宽、大切深”组合;而采用逆铣加工时,首先减小进给量,铣削宽度和铣削深度的先后顺序无明显差异,优先选用“小进给量、大切宽、大切深”组合。2)在较高切削速度678m/min情况下,无论是采用顺铣加工还是逆铣加工,减小残余应力的工艺参数优先顺序为铣削宽度、进给量、铣削深度,优先选用“小进给量,小切宽、适中切深”。  (4)针对以上仿真结果,设计了机械加工实验方案,验证了以上仿真结论的有效性和正确性。  以上关于残余应力的铣削工艺优化方法研究成果,部分已在航天关键件制造中得到实际应用。
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