薄壁构件镜像加工刚度补偿支撑机构设计方法研究项目摘要

镜像加工装备是一种用于薄壁构件铣削制造的新装备，其中加工机构和支撑机构分别在被加工构件两侧镜像布置，在被加工构件不同曲率、壁厚处的加工精度一致性是镜像加工面临的问题。主要原因在于：支撑机构末端为满足沿被加工构件法向支撑，在构件不同曲率处机构位姿不同，沿被加工构件的法向刚度在各加工位置处无法做到近似恒等，造成加工变形的不一致。加工过程中运动位姿要求和等刚度支撑要求的矛盾是现有镜像支撑机构设计的主要问题。 本项目提出引入冗余驱动调整机构末端刚度的思路，以实现在不影响支撑机构位姿实现能力情况下的末端刚度补偿。建立冗余驱动支链特征参数与机构末端刚度变化的映射关系，揭示冗余驱动支链对机构末端刚度的补偿机理；提出镜像加工支撑机构与加工机构刚度匹配设计方法，形成面向末端刚度性能的冗余驱动镜像支撑机构设计方法。项目成果有望为镜像铣削装备支撑机构设计提供理论基础和方法指导。

镜像加工装备支撑机构设计面临的主要问题是加工过程中运动位姿要求和等刚度支撑要求的矛盾。本项目提出引入冗余驱动调整机构末端刚度的思路，以实现在不影响支撑机构位姿实现能力情况下的末端刚度补偿。本项目构建了支撑机构及各驱动支链的综合刚度映射模型，分析了冗余支链构型和驱动形式对机构末端刚度特征变化的影响规律；建立了镜像加工系统弹性动力学方程，分析了镜像铣削过程的力学行为特性，构建了冗余驱动支链参数与末端刚度性能的关联模型；构建了镜像加工装备冗余驱动支撑机构实验系统，开展了镜像加工轨迹实验。 在理论研究方面，提出了面向刚度性能的冗余驱动支链优化设计方法，为镜像支撑刚度补偿机构设计提供理论基础；提出了基于最佳近似的刚度综合方法，为基于冗余驱动的刚度补偿支撑机构设计提供依据。在应用方面，设计了用于镜像加工实验系统，开发了控制系统及运动规划方案，实现了空间曲面的镜像加工轨迹。在本课题执行期内，以第一作者和通讯作者发表/录用受本课题资助的论文6篇，其中SCI源期刊3篇；申请发明专利4项，其中授权2项，公开2项。结合本课题研究，协助指导博士研究生1名、硕士研究生3名（已毕业1名）。 2100433B

本书在高速切削加工技术及薄壁结构件工艺特点基础上，对薄壁结构件的切削变形进行了深入的探讨，阐述了薄壁结构件切削加工过程中的力学基础，弹性变形、弹塑性变形理论和原理， 并研究了薄壁结构件切削加工变形的应用技术，建立了薄壁件不同刀具位置处的三维稳定性模型，为薄壁零件铣削加工变形的控制和工艺参数优化提供理论依据。本书可作为学习金属切削原理、机床振动、CAD/CAM技术、机械加工技术、金属切削变形的大学高年级学生、研究生的教材，也可作为从事金属切削力学和动力学、CNC技术的科研工作者以及从事实际生产制造的工程师的学习参考书

第1章高速切削加工技术1

1.1高速切削加工技术概述1

1.2高速切削加工的特点3

1.3高速切削加工中的切削力4

1.3.1切削力的理论公式5

1.3.2切削力的指数公式5

1.3.3单位切削力公式6

1.3.4影响切削力的因素6

第2章薄壁结构件的工艺特点及分析8

2.1薄壁结构件的工艺特点8

2.2薄壁零件切削加工变形的研究9

2.3薄壁结构件加工变形的影响因素10

2.4薄壁件加工变形的控制措施12

第3章薄壁零件切削加工变形的力学基础15

3.1金属切削变形理论15

3.2材料加工变形的力学基础17

3.2.1应力状态分析17

3.2.2应变状态分析21

3.2.3弯曲薄板功的互等定理25

第4章薄壁零件铣削加工的弹性变形31

4.1薄壁零件铣削过程中的变形31

4.2薄壁零件铣削弹性变形的基本假设32

4.3薄壁零件铣削的线载荷33

4.4薄壁零件铣削弹性变形的微分方程34

4.5薄壁零件铣削弹性变形的影响因素37

4.5.1变形研究总体方案37

4.5.2线载荷大小对薄壁零件铣削最大变形的影响39

4.5.3铣刀切削位置对薄壁零件铣削最大变形的影响39

4.5.4壁厚对薄壁零件铣削最大变形的影响42

第5章薄壁零件铣削加工的弹塑性变形及弯曲回弹44

5.1薄壁零件铣削的弹塑性变形微分方程与边界条件44

5.1.1线载荷变化对薄壁零件铣削弹塑性变形的影响47

5.1.2铣刀切削位置的变化对薄壁零件铣削弹塑性变形的影响48

5.1.3壁厚对薄壁零件铣削最大变形的影响50

5.2薄壁零件的弯曲回弹50

5.2.1薄壁弯曲变形过程中的应力分析51

5.2.2薄壁零件弯曲回弹的计算分析53

5.2.3薄壁零件弯曲回弹的影响因素57

5.3薄壁零件铣削加工弹塑性变形的仿真与试验58

5.3.1薄壁零件铣削加工弹性变形的仿真58

5.3.2薄壁零件铣削加工变形的试验验证60

第6章薄壁零件铣削系统的三维稳定性63

6.1动态铣削模型63

6.2薄壁零件铣削稳定性预测的运动微分方程68

6.3薄壁零件铣削稳定性的极限条件69

6.4薄壁零件铣削的三维稳定性70

第7章薄壁件铣削加工变形的应用技术73

7.1薄壁零件切削中的“让刀”现象73

7.2刀具不同加工位置处三维稳定性图的数值仿真74

7.3薄壁零件铣削不同位置时的颤振稳定性的试验验证76

附录主要符号及其单位82

参考文献84"

薄壁不锈钢结构构件应用日趋广泛，然而针对其各类失稳性能的研究尚不完善。薄壁构件的设计理论近年来也取得了新进展。本课题工作重点为薄壁不锈钢压弯构件的耦合稳定承载力及基于新设计理论的设计方法研究，作为相关的基础性研究工作还涵盖了不锈钢受弯构件纯畸变失稳破坏及设计方法、空翼缘构件整体-畸变耦合失稳性能研究。 开展了卷边C型不锈钢截面仅受畸变失稳控制时的破坏性能研究，进行了冷轧板材材性测试、几何缺陷高精度测量、侧向限位弯曲试验。基于ABAQUS开发了精细化数值模型、以试验数据进行校准并展开参数分析。结合试验及模拟数据总结畸变失稳承载力随材性、截面形式、截面柔度的变化规律，探讨了以受压翼缘与腹板交界处的应变监测判断畸变失稳点的实用方法。以直接强度法拟合得到了适用于C型和Z型不锈钢构件畸变失稳承载力的设计公式。相关成果已发表国际会议论文一篇，另有两篇期刊文章已完稿。以上述精细化模型为基础进行拓展参数分析，研究不锈钢空翼缘截面畸变-整体耦合失稳性能，探讨该类构件耦合失稳的设计方法，相关成果已发表国际会议论文一篇。 不锈钢压弯构件耦合失稳研究包括系列精细化试验、数值建模及参数分析、设计理论及方法研究。试验选取卷边C形、I型及矩形截面构件，分别反映局部-整体、畸变-整体耦合失稳效应。试验中引入钢材材性、截面柔度、构件柔度、等效加载偏心等变化因素。受国内市场供应情况限制，前期规划的低镍双相体S32101不锈钢小批量采购始终未能实现，只得采用双向体S32205板材替代。试验所用的专用加载、缺陷测量装置均有较高精度要求、需专门加工。上述工作过程中若干非预期因素造成试验研究进度滞后于计划，当前有一部分构件试验仍在进行中。数值建模和设计理论研究也同步进行，已梳理压弯构件设计理论框架及两种具体设计思路。相关成果目前已申请发明专利一件，一篇期刊文章撰稿中，后续研究成果还将有2~3篇论文发表。 2100433B