薄壁構(gòu)件鏡像加工剛度補(bǔ)償支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

鏡像加工裝備支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的主要問題是加工過程中運(yùn)動(dòng)位姿要求和等剛度支撐要求的矛盾。本項(xiàng)目提出引入冗余驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)末端剛度的思路，以實(shí)現(xiàn)在不影響支撐機(jī)構(gòu)位姿實(shí)現(xiàn)能力情況下的末端剛度補(bǔ)償。本項(xiàng)目構(gòu)建了支撐機(jī)構(gòu)及各驅(qū)動(dòng)支鏈的綜合剛度映射模型，分析了冗余支鏈構(gòu)型和驅(qū)動(dòng)形式對(duì)機(jī)構(gòu)末端剛度特征變化的影響規(guī)律；建立了鏡像加工系統(tǒng)彈性動(dòng)力學(xué)方程，分析了鏡像銑削過程的力學(xué)行為特性，構(gòu)建了冗余驅(qū)動(dòng)支鏈參數(shù)與末端剛度性能的關(guān)聯(lián)模型；構(gòu)建了鏡像加工裝備冗余驅(qū)動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了鏡像加工軌跡實(shí)驗(yàn)。 在理論研究方面，提出了面向剛度性能的冗余驅(qū)動(dòng)支鏈優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為鏡像支撐剛度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)；提出了基于最佳近似的剛度綜合方法，為基于冗余驅(qū)動(dòng)的剛度補(bǔ)償支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在應(yīng)用方面，設(shè)計(jì)了用于鏡像加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開發(fā)了控制系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方案，實(shí)現(xiàn)了空間曲面的鏡像加工軌跡。在本課題執(zhí)行期內(nèi)，以第一作者和通訊作者發(fā)表/錄用受本課題資助的論文6篇，其中SCI源期刊3篇；申請(qǐng)發(fā)明專利4項(xiàng)，其中授權(quán)2項(xiàng)，公開2項(xiàng)。結(jié)合本課題研究，協(xié)助指導(dǎo)博士研究生1名、碩士研究生3名（已畢業(yè)1名）。 2100433B

鏡像加工裝備是一種用于薄壁構(gòu)件銑削制造的新裝備，其中加工機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)分別在被加工構(gòu)件兩側(cè)鏡像布置，在被加工構(gòu)件不同曲率、壁厚處的加工精度一致性是鏡像加工面臨的問題。主要原因在于：支撐機(jī)構(gòu)末端為滿足沿被加工構(gòu)件法向支撐，在構(gòu)件不同曲率處機(jī)構(gòu)位姿不同，沿被加工構(gòu)件的法向剛度在各加工位置處無法做到近似恒等，造成加工變形的不一致。加工過程中運(yùn)動(dòng)位姿要求和等剛度支撐要求的矛盾是現(xiàn)有鏡像支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題。 本項(xiàng)目提出引入冗余驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)末端剛度的思路，以實(shí)現(xiàn)在不影響支撐機(jī)構(gòu)位姿實(shí)現(xiàn)能力情況下的末端剛度補(bǔ)償。建立冗余驅(qū)動(dòng)支鏈特征參數(shù)與機(jī)構(gòu)末端剛度變化的映射關(guān)系，揭示冗余驅(qū)動(dòng)支鏈對(duì)機(jī)構(gòu)末端剛度的補(bǔ)償機(jī)理；提出鏡像加工支撐機(jī)構(gòu)與加工機(jī)構(gòu)剛度匹配設(shè)計(jì)方法，形成面向末端剛度性能的冗余驅(qū)動(dòng)鏡像支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。項(xiàng)目成果有望為鏡像銑削裝備支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和方法指導(dǎo)。

本書在高速切削加工技術(shù)及薄壁結(jié)構(gòu)件工藝特點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件的切削變形進(jìn)行了深入的探討，闡述了薄壁結(jié)構(gòu)件切削加工過程中的力學(xué)基礎(chǔ)，彈性變形、彈塑性變形理論和原理， 并研究了薄壁結(jié)構(gòu)件切削加工變形的應(yīng)用技術(shù)，建立了薄壁件不同刀具位置處的三維穩(wěn)定性模型，為薄壁零件銑削加工變形的控制和工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。本書可作為學(xué)習(xí)金屬切削原理、機(jī)床振動(dòng)、CAD/CAM技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)、金屬切削變形的大學(xué)高年級(jí)學(xué)生、研究生的教材，也可作為從事金屬切削力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、CNC技術(shù)的科研工作者以及從事實(shí)際生產(chǎn)制造的工程師的學(xué)習(xí)參考書

第1章高速切削加工技術(shù)1

1.1高速切削加工技術(shù)概述1

1.2高速切削加工的特點(diǎn)3

1.3高速切削加工中的切削力4

1.3.1切削力的理論公式5

1.3.2切削力的指數(shù)公式5

1.3.3單位切削力公式6

1.3.4影響切削力的因素6

第2章薄壁結(jié)構(gòu)件的工藝特點(diǎn)及分析8

2.1薄壁結(jié)構(gòu)件的工藝特點(diǎn)8

2.2薄壁零件切削加工變形的研究9

2.3薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的影響因素10

2.4薄壁件加工變形的控制措施12

第3章薄壁零件切削加工變形的力學(xué)基礎(chǔ)15

3.1金屬切削變形理論15

3.2材料加工變形的力學(xué)基礎(chǔ)17

3.2.1應(yīng)力狀態(tài)分析17

3.2.2應(yīng)變狀態(tài)分析21

3.2.3彎曲薄板功的互等定理25

第4章薄壁零件銑削加工的彈性變形31

4.1薄壁零件銑削過程中的變形31

4.2薄壁零件銑削彈性變形的基本假設(shè)32

4.3薄壁零件銑削的線載荷33

4.4薄壁零件銑削彈性變形的微分方程34

4.5薄壁零件銑削彈性變形的影響因素37

4.5.1變形研究總體方案37

4.5.2線載荷大小對(duì)薄壁零件銑削最大變形的影響39

4.5.3銑刀切削位置對(duì)薄壁零件銑削最大變形的影響39

4.5.4壁厚對(duì)薄壁零件銑削最大變形的影響42

第5章薄壁零件銑削加工的彈塑性變形及彎曲回彈44

5.1薄壁零件銑削的彈塑性變形微分方程與邊界條件44

5.1.1線載荷變化對(duì)薄壁零件銑削彈塑性變形的影響47

5.1.2銑刀切削位置的變化對(duì)薄壁零件銑削彈塑性變形的影響48

5.1.3壁厚對(duì)薄壁零件銑削最大變形的影響50

5.2薄壁零件的彎曲回彈50

5.2.1薄壁彎曲變形過程中的應(yīng)力分析51

5.2.2薄壁零件彎曲回彈的計(jì)算分析53

5.2.3薄壁零件彎曲回彈的影響因素57

5.3薄壁零件銑削加工彈塑性變形的仿真與試驗(yàn)58

5.3.1薄壁零件銑削加工彈性變形的仿真58

5.3.2薄壁零件銑削加工變形的試驗(yàn)驗(yàn)證60

第6章薄壁零件銑削系統(tǒng)的三維穩(wěn)定性63

6.1動(dòng)態(tài)銑削模型63

6.2薄壁零件銑削穩(wěn)定性預(yù)測的運(yùn)動(dòng)微分方程68

6.3薄壁零件銑削穩(wěn)定性的極限條件69

6.4薄壁零件銑削的三維穩(wěn)定性70

第7章薄壁件銑削加工變形的應(yīng)用技術(shù)73

7.1薄壁零件切削中的“讓刀”現(xiàn)象73

7.2刀具不同加工位置處三維穩(wěn)定性圖的數(shù)值仿真74

7.3薄壁零件銑削不同位置時(shí)的顫振穩(wěn)定性的試驗(yàn)驗(yàn)證76

附錄主要符號(hào)及其單位82

參考文獻(xiàn)84"

薄壁不銹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)用日趨廣泛，然而針對(duì)其各類失穩(wěn)性能的研究尚不完善。薄壁構(gòu)件的設(shè)計(jì)理論近年來也取得了新進(jìn)展。本課題工作重點(diǎn)為薄壁不銹鋼壓彎構(gòu)件的耦合穩(wěn)定承載力及基于新設(shè)計(jì)理論的設(shè)計(jì)方法研究，作為相關(guān)的基礎(chǔ)性研究工作還涵蓋了不銹鋼受彎構(gòu)件純畸變失穩(wěn)破壞及設(shè)計(jì)方法、空翼緣構(gòu)件整體-畸變耦合失穩(wěn)性能研究。 開展了卷邊C型不銹鋼截面僅受畸變失穩(wěn)控制時(shí)的破壞性能研究，進(jìn)行了冷軋板材材性測試、幾何缺陷高精度測量、側(cè)向限位彎曲試驗(yàn)?；贏BAQUS開發(fā)了精細(xì)化數(shù)值模型、以試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)并展開參數(shù)分析。結(jié)合試驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)總結(jié)畸變失穩(wěn)承載力隨材性、截面形式、截面柔度的變化規(guī)律，探討了以受壓翼緣與腹板交界處的應(yīng)變監(jiān)測判斷畸變失穩(wěn)點(diǎn)的實(shí)用方法。以直接強(qiáng)度法擬合得到了適用于C型和Z型不銹鋼構(gòu)件畸變失穩(wěn)承載力的設(shè)計(jì)公式。相關(guān)成果已發(fā)表國際會(huì)議論文一篇，另有兩篇期刊文章已完稿。以上述精細(xì)化模型為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展參數(shù)分析，研究不銹鋼空翼緣截面畸變-整體耦合失穩(wěn)性能，探討該類構(gòu)件耦合失穩(wěn)的設(shè)計(jì)方法，相關(guān)成果已發(fā)表國際會(huì)議論文一篇。 不銹鋼壓彎構(gòu)件耦合失穩(wěn)研究包括系列精細(xì)化試驗(yàn)、數(shù)值建模及參數(shù)分析、設(shè)計(jì)理論及方法研究。試驗(yàn)選取卷邊C形、I型及矩形截面構(gòu)件，分別反映局部-整體、畸變-整體耦合失穩(wěn)效應(yīng)。試驗(yàn)中引入鋼材材性、截面柔度、構(gòu)件柔度、等效加載偏心等變化因素。受國內(nèi)市場供應(yīng)情況限制，前期規(guī)劃的低鎳雙相體S32101不銹鋼小批量采購始終未能實(shí)現(xiàn)，只得采用雙向體S32205板材替代。試驗(yàn)所用的專用加載、缺陷測量裝置均有較高精度要求、需專門加工。上述工作過程中若干非預(yù)期因素造成試驗(yàn)研究進(jìn)度滯后于計(jì)劃，當(dāng)前有一部分構(gòu)件試驗(yàn)仍在進(jìn)行中。數(shù)值建模和設(shè)計(jì)理論研究也同步進(jìn)行，已梳理壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)理論框架及兩種具體設(shè)計(jì)思路。相關(guān)成果目前已申請(qǐng)發(fā)明專利一件，一篇期刊文章撰稿中，后續(xù)研究成果還將有2~3篇論文發(fā)表。 2100433B