薄壁件铣削过程有限元仿真及实验研究

作     者：刘鑫 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：岳彩旭

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：钛合金薄壁件 铣削过程 有限元仿真 参数优化 遗传算法 

摘      要：钛合金薄壁件因其强度高、抗蚀性好、机械性能好、密度小、结构紧凑等优点,使得该材料在航空领域被广泛应用。但钛合金薄壁件刚度弱、表面精度要求高,在加工过程中易产生伴随材料切除的非线性、强时变问题,且加工过程中产生的热-力载荷会对切屑的形成、刀具的寿命和工件的表面质量产生严重的影响。基于上述问题,本文采用三维有限元仿真,并结合理论分析,展开了对该类零件加工制造中的切削机理、刀具设计和铣削参数的研究,主要内容如下:首先,在有限元模拟中,材料本构模型的选择以及本构参数的设置对仿真结果的准确性有着至关重要的影响,需要依据材料的成分及使用的场合选择合适的本构方程。因此对仿真中的不同本构模型进行了分析,根据各个模型的特点及适用范围,选择Johnson-Cook本构方程。通过准静态拉伸实验和霍普金森压杆实验获得钛合金材料不同温度及不同应变率下的应力-应变曲线,将实验数据进行拟合,得到Ti6Al4V的本构参数。其次,采用ABAQUS仿真软件,实现了铣刀运动轨迹为曲线的钛合金薄壁件铣削过程仿真模拟,通过后处理得到了工件Mises应力云图、刀具温度云图和铣削力曲线,并进行铣削试验,将铣削力试验结果与仿真结果进行对比,分析误差产生的原因,从而验证了所建立的模型是准确的,为后续仿真研究奠定基础。再次,选取铣刀前角、后角、螺旋角和刃口半径为研究对象,对钛合金薄壁件铣削过程进行单因素分析,研究刀具不同结构变化所引起的铣削力、铣削温度、工件变形等的变化规律及原因,采用正交试验对铣刀结构参数进行整体分析,优选出适合加工钛合金薄壁件的立铣刀结构参数。最后,应用MATLAB软件中的遗传算法优化铣削参数,采用VDL-1000E高速铣削加工中心,将优化后得到的铣削参数与经验铣削参数进行对比试验,进而验证优化的有效性,研究结果为提高曲面钛合金薄壁件表面质量以及提高刀具寿命提供有力支持。