薄壁件

学位论文作者签名：姜涛
指导教师签名：陈明
日期： 2009 年 6 月 5 日
日期：2009 年 6 月 5 日
上海交通大学硕士学位论文
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 选题的意义和目的
波导器件是机载雷达非常重要的部件（图 1-1） ，作为传输微波工具的单、双脊 异型波导器件因具有工作频带宽、等效阻抗低等特性，在通讯微波发射设备、电子 对抗和超宽带雷达领域得到广泛应用。这类零件的加工精度、表面质量直接影响波 导器件和组件的电气性能，尤其是异型腔体类波导器件，而随着雷达技术的发展， 对这类零件的加工质量提出了更高的要求。因此，先进、可靠的工艺技术是实现其 设计性能的重要保证。波导器件中包含许多形状复杂的高精度薄壁型腔体类零件， 其特点是结构复杂、壁薄、精度要求高。对于该类零件的加工制造存在以下问题： 夹紧力、切削力以及切削热都会引起零件的变形，引起零件尺寸超差，造成零件的 废品率较高，严重影响了型号的研制周期。随着雷达技术的应用向毫米波甚至更高 频段发展，波导器件的结构尺寸越变越小，尺寸精度、形位要求及表面质量不断提 高，对波导器件的加工精度和质量提出了更高的要求。为了保证先进装备研制和生 产的顺利进行，必须对其关键部件—波导器件的精密加工进行研究。
3000
LF
3A21、 3A06 ，高抗蚀性、抗 疲劳性、良好的塑性 、焊接性
飞机油箱、油管
6000
LD
6A02， 6016， 硬度高，良好的耐腐蚀性 ，
制造发动机零件 、 接头
铸造铝合金
图 1-3 航空铝合金分类及应用 Fig.1-3 Classification and application of aerospace aluminium alloys
KEY WORDS: high speed milling, thin walled component, machining deformation, tool path, finite element analysis
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上海交通大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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第一章 绪论
1.2.2 高速切削技术及其发展现状 1.2.2.1 高速切削的概念 高速切削加工的理念从 20 世纪 30 年代提出以来，经历 50 多年的理论与实验研 究和探索推动了刀具和机床技术的研究与发展，到 90 年代以后，随着高速切削机床 和各种新型高速切削刀具等投入市场，使得高速切削加工技术在世界发达国家从理 论与实验研究进入工业应用阶段并迅速发展，它是先进制造技术的一项全新的共性 基础技术，具有广阔的应用前景。 高速切削理论[1]是 1931 年 4 月德国物理学家 Carl. J. Salomon 提出的。他指出， 在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到 一定值后，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。 对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀 具材料无法承受，使切削加工不可能进行，称该区为“死谷” ，如图 1-4 所示。虽然 由于实验条件的限制，当时无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示， 即如能越过这个“死谷” ，在高速区工作，有可能使用现有刀具材料进行高速切削， 切削温度与常规切削基本相同，从而可以大幅度提高生产效率。
图 1-1 某雷达双脊波导 Fig 1-1 Radar double ridge wave-guide 1
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第一章 绪论
波导器件的精密加工技术发展迅速，已经实现了大型相控阵雷达制导中微波混 合或单片集成 T/R 模块的加工制造，实现了用于飞机导航系统的激光陀螺和光纤陀 螺的精密加工及精密制造，也实现了激光、红外、毫米波制导导引头的高可靠微组 装，大幅提高了新一代军用飞机的作战性能。 为了实现波导器件的高效精密加工，对加工系统提出了更高的要求，如图 1-2 所示。而高速加工技术是高效加工工艺的关键技术，是解决窄缝、小孔和薄壁零件 加工变形的有效方法。因此，基于高速加工平台，开展薄壁复杂零件关键工艺技术 （主要是变形控制技术）研究，应用计算机技术、对工艺方法和工艺参数等方面进 行仿真和优化，是解决此类工艺技术难点的较好方法，对于缩短武器装备研制周期， 实现武器装备快速研制具有重要的意义。对其实现高效、高精度、高质量加工，离 不开高速切削加工技术的相关理论的研究作为技术支撑。
关键词：高速铣削，薄壁件，加工变形，刀具路径，有限元模拟
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ABSTRACT
EXPERIMENTAL STUDY AND FINITE ELEMENT ANALYSIS ON DEFORMATION OF SIDE MILLING ALUMINUM THIN WALLED COMPONENT
图 1-2 航空整体结构件对高效加工系统的要求 Fig. 1-2 Demands of machining aerospace monolithic structure components on HPM system
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第一章 绪论
1.2 国内外研究现状分析
航空航天制造业是制造业重要的组成部分之一，是高新技术最为富集的产业， 代表了一个国家最高制造业水平和和技术实力。我国近年来在航空航天领域获得了 较快的发展， “神舟”系列载人航空飞船的成功研制， “翔凤”支线客机的首飞都标 志我国航空航天事业进入了一个快速发展的阶段。大量新材料、新技术首先在航空 制造业得到应用，为了降低飞机自重，提高结构强度，一些大型复杂结构零件，尤 其是主承力结构件（如飞机的大梁、隔框、壁板等）普遍采用了整体化结构设计， 结构整体化是新一代大型客机的发展趋势，已经成为现代先进大型飞机设计制造领 域的一个重要标志，对研发周期、生产效率和制造成本等具有非常重要的影响。采 用整体构件可以大幅降低连接装配工作量，零件数量少，整体重量可减重 10-30% ， 密封性能好，结构整体性好。大型客机的带筋整体壁板、整体框、整体肋和梁缘条 等复杂形状构件的加工均采用高速切削技术。整体薄壁结构件的毛坯材料有 90％以 上由刀具切除，因而客观上要求材料去除率高，高速切削技术是近年来迅速崛起的 一项以高切速、大进给为主要特征的加工工艺，可以满足高效加工的要求；整体薄 壁结构件刚性差，切削力、切削热及切削振动等均容易导致零件变形，降低加工精 度和加工表面质量，而高速切削技术具有独特的加工机理和技术优势，如切削力大 幅度降低、切削热大部分由切屑带走从而降低切削温度，较高的主轴转速使得刀具 的激振频率避开薄壁结构工艺系统的振动频率范围，从而避免切削振动，所以高速 切削技术是航空整体薄壁零件实现高效精密加工的主要工艺，成为航空制造领域核 心关键技术。实现航空整体结构件的高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是 航空制造业面临的一个重要课题。
上海交通大学 硕士学位论文 铝合金薄壁零件精密加工铝合金薄壁零件精密加工 姓名：姜涛 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：陈明;张永强 20090501
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摘要
铝合金薄壁零件精密加工变形分析及实验研究 摘 要
高速加工以其切削力小、切削热变形低、切削速度高、单位时间去除材 料率大、加工精度高等特点，在切削加工弱刚度工件时与其他加工方式相比 有着明显的优势。本文依托某科研项目展开工作，基于高速加工理论，采用 理论分析、计算机模拟与试验相结合的方法，研究了波导类薄壁铝合金件侧 壁切削加工变形的问题。对加工参数的选择、加工路径优化等内容进行了详 细讨论。 本文针对典型薄壁件铣削加工中的变形问题，通过建立有限元变形分析 模型，结合铣削加工试验，并利用 DEFORM 有限元分析软件，获得典型薄壁件 加工变形的基本规律，得到一些具有指导意义的结论，为提高产品质量和进 一步研究控制薄壁件加工变形提供了依据。在理论分析和数值仿真的基础上， 针对薄板侧壁及薄壁腔体件，在不同的切削参数组下进行铣削加工试验，验 证了有限元仿真计算模型的有效性。
1.2.1 航空铝合金的性能及应用 铝合金按照生产工艺可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类， 如图 1-3 所示。 航 空铝合金与普通铝合金相比，具有强度高、硬度高、韧性好、耐腐蚀、抗疲劳等特 点。用于飞机制造的航空铝合金主要有铝-铜-镁系合金与铝-锌-镁-铜系合金，详细应
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（1）硬铝：即铝-铜-镁系合金，是应用最为广泛的航空铝合金，以 2 系列铝合金为 主，常用 2024、2017A 等。该类铝合金强度较高，韧性、抗疲劳性较好，塑性好， 主要用来制造飞机蒙皮、隔框、翼肋等。 （2）超硬铝：即铝-锌-镁-铜系合金，以 7 系列铝合金为主，常用 7075、7A09、7750 等。该类铝合金强度极限和屈服强度高，承受载荷大，主要用来制造机翼上翼面蒙 皮、大梁等。 （3）防锈铝合金：以 3 系列铝镁合金为主，常用 3A21、3A06 等。该类铝合金具有 较高的抗蚀性、抗疲劳性、良好的塑性、焊接性，主要用来制造油箱、油管等。 （4）锻造铝合金：以 6 系列铝合金为主，常用 6A02，6016 等。该类铝合金具有硬 度高，良好的耐腐蚀性，主要用于制造发动机零件、接头等。 （5）铸造铝合金：该类铝合金具有比重小，抗蚀性、耐热性高的优点，主要用于制 造发动机机匣等。
学位论文作者签名：姜涛
日期：2009 年 6 月 5 日
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第一章 绪论
用情况分为以下几类：
美国 牌号 硬铝 2000 中国 牌号 LY 典型材料及性能
2024、2A12 ，强度较高， 韧性抗疲劳性较好 ，塑性好
应用情况
飞机蒙皮、隔框、 翼肋
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
超硬铝 变形铝合金 防锈铝 铝 合 金 锻铝
7000
LC
7075、7750，强度极限和屈服 强度高，承受载荷大
机翼上翼面蒙皮 、 大梁蒙皮、翼肋
ABSTRACT
Owing to its small cutting force, low cutting temperature, high cutting speed, large material removal rate and high machining precision, high speed machining gains advantages compared to other machining process in machining low rigid components. In this paper, deformations in side milling of aluminum alloy thin walled components were studied based on the high speed machining theory and the combination of simulations and experiments. Optimization of cutting tools and tool path were detail discussed. Focusing on the deformations in milling of typical thin walled component, analysis based on the finite element model and milling experiments were conducted to know the basic regulation of machining deformation. According to the results, the machining quality was improved and the deformations were controllable. Then, experiments were conducted on the thin walled components and thin walled pocket under different machining parameters so as to validate the simulation results and the deformation controlling strategy.