第 1 章 绪论
1.1研究背景与意义
多数金属零件生产都是通过金属切削来完成。通过金属切削，把工件上多余的金属切除掉，可以使工件获得规定的加工精度与表面质量。因此，要进行优质、高效与低成本的生产，对金属切削过程的深入研究就很有必要。零件的加工质量的高低将直接影响整台机器的使用性能和寿命，决定了机械装备的性能。随着机器速度、负载的增加以及自动化生产的需要，对机械装备性能的要求也不断提高[1]，因此，保证机械零件具有更高的加工精度也显得越来越重要。在实际生产中遇到的工艺问题多数为加工精度问题。由于缺乏足够的切削力数据，在实际生产中为保证被加工零件质量避免工件变形，加工人员通常选择保守的加工条件，致使生产时间增长。研究机械加工精度实质是研究加工系统中各种误差的物理实质，掌握其变化的基本规律，分析工艺系统中各种误差与加工精度之间的关系，以保证零件的加工质量，从根本上为提高加工精度进行理论分析。尤其在汽车、航空及模具制造业中，为了满足日益增长的使用环境需求，需不断提高的零件性能要求，零件形状变得更为复杂。以航空为例，在航空航天制造业中，为了提高飞机和航天器的结构强度和使用性能，多数关键零部件尽可能的采用了整体结构设计，如飞机结构件中的整体壁板、整体翼肋和发动机的涡轮叶片等等。这些构件形状复杂，刚度弱，精度要求高，加工中采用整体数控铣削成型[2]。诸如航空工业中所提到的，在各行各业都存在这种结构复杂、尺寸大、材料去除率高、薄壁部位刚性差等特点的零部件，在此统称为弱刚度结构件。在加工后，弱刚度结构件通常会出现弯曲、扭曲、弯扭组合等加工变形，使零件难以达到设计要求，甚至成为废品，加工变形问题已成为阻碍我国发展成为制造强国的瓶颈之一。这些零件因空间约束和工作使命特殊要求，结构上采用薄壁设计，且加工精度要求高，这类零件属于高精度弱刚度关键结构件，其共同特点是刚度弱，在加工中，工件对切削力、切削参数、振动、刀具参数、装夹方式等十分敏感，易变形，影响加工精度和加工效率。
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1.2国内外研究现状
弱刚度结构件的加工变形问题，涉及热力学、材料成形、金属切削加工和机械制造多个学科领域，所以导致其产生变形的原因也很多，如毛坯的材料、工件的几何形状、工艺系统刚度、加工工艺方法和加工设备等均有关系。经已有文献研究分析，引起弱刚度结构件加工变形的各个因素如图 1-1 所示：毛坯成形过程中，内部存在内应力作用相互平衡的初始残余应力，此时工件内应力平衡。经切削加工后，毛坯部分金属被切除，工件内应力平衡遭到破坏致使应力重新分布，这将会引起工件的变形。J. C. Outeiro[3]对 AISI 316L 钢做了大量实验，通过 X-ray 衍射技术测量残余应力，并结合实验所得切削力分析切削参数（切削速度、进给量、切削深度等）对残余应力的影响。L. Chen[4]针对 Ti-6Al-4V 建立了正交切削有限元模型，分析了刀具磨损和切屑形成过程对残余应力的影响。分析结果表明切屑形成机理和刀具磨损对切削力以及切削热有很大影响，进而影响到残余应力的大小及分布。Jeffrey D.Thiele[5]对 AISI52100 钢进行了切削实验，分析了刀具几何角度和工件硬度对残余应力的影响。
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第 2 章 右端框切削力模型
2.1 切削力解析模型
最早开始对切削机理展开研究是从直角切削开始的。Merchant M E.[35]最早提出剪切面模型，并指出剪切角和摩擦角的关系。该模型提出的剪切角公式虽然实验结果有一定差距，但是在认识切削原理和切屑形成机理上，为后人奠定了基础。Lee EH[36]在 Merchant 的研究基础上提出滑移线理论，但是只是把工件材料看成理想塑性体，只考虑了塑性流动而没有考虑加工硬化的影响。Oxley P LB[37]提出平行面剪切区分析预测理论，考虑了材料的流动应力变化，并以加工硬化为理论基础，认为切削层是通过有一定宽度的带状剪切区变成切屑，该理论与实际较符。金属切削过程可以类比为力学中压缩试验的变形过程。压缩试验过程如图 2-1所示，在外力 F 作用下，材料与 F 作用方向呈 45°的 AB、CD 线族面上产生最大剪应力，外力增加，最大剪应力随着增大，当剪应力达到材料屈服极限时，试件的金属晶体沿 AB、CD 面出现剪切滑移而产生塑性变形。只不过切削加工这一过程是在速度快、压力大、摩擦严重和高温情况下进行的，所以切削层内塑性变形更为复杂。在切削刃附近，被切削层在受到前刀面的挤压后与工件本体材料发生分离， 其塑性变形形式以剪切滑移为主的。整个变形域大致划分为三个变形区：第一变形区：在切削层上形成切屑的变形区，如图 2-2 为第一变形区内金属的剪切滑移；第二变形区：切屑流出时，切屑底层受到前刀面摩擦作用，产生变形区，与第一变形区共同组成切屑形成过程；第三变形区：在已加工表面上与后刀面挤压摩擦形成的变形区，属于已加工表面形成过程。
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2.2 切削力经验模型
切削力的理论计算公式只能供定性分析用，因为切削力F 的计算公式是在忽略了温度、正应力、第Ⅲ变形区与摩擦力等条件下推导出来的，故不能用于计算。而求切削力较简单又实用的方法是利用测力仪直接测出或通过实验后整理成的实验公式求得。运用有限元技术研究薄壁件加工变形，需要精确建立车削力模型。通过车削试验可以获取真实可靠的数据，得出准确切削力经验模型，使用该车削力经验模型可以得到不同车削条件下对应的车削力。本课题研究主要着眼于切削参数对切削力的影响，所以，在建立切削力经验模型时主要考虑参数为切削三要素即：切削速度v、进给速度 f 、被吃刀量pA 。正交实验设计法是一种减少实验次数的部分实施法，实验样本按正交表来选取，并非随机的。采用正交实验法不仅可以保证实验中每一因素的不同水平具有相同的实验次数，而且不同因素的各水平之间具有相等的相遇机率。由于这一特点，用正交表安排的实验方案是有代表性的，因此采用正交实验虽然减少了实验次数，但仍能够比较全面地反映各因素各水平对试验指标影响的大致情况，可以得到比较精确的实验结果。正交实验法是在实验经验与理论分析的基础上，利用现成的规格化的“正交表”，科学地选取试验样本，合理安排实验。它在很多的试验条件中选出代表性强的少数的实验，并通过少数的实验找出符合客观规律的实验结论或优选出好的方案[44]。
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第 3 章 ZG32MnMo 材料二维切削仿真....25
3.1 弹塑性有限元理论 .......... 25
3.2 右端框车削二维仿真分析 ..... 29
3.3 仿真结果与分析 ....... 32
3.3.1 切屑形态分析 ....... 32
3.3.2 切削力的仿真结果 ...... 34
3.4 本章小结 ..... 35
第 4 章 右端框加工变形三维仿真分析.....37
4.1 右端框力学分析 ....... 37
4.2 右端框止口内圆车削数值模拟 .... 39
4.3 数值模拟结果分析 .......... 41
4.4 本章小结 ..... 47
第 5 章 加工变形控制及工艺优化......49
5.1 遗传优化算法 .... 49
5.2 切削参数优化模型 .......... 50
5.3 优化工具及运算结果 ...... 54
5.4 本章小结 ..... 56
第 5 章 加工变形控制及工艺优化
5.1 遗传优化算法
生物进化过程主要是通过染色体之间的交叉和变异来完成的，遗传算法借鉴了达尔文的进化论和孟德尔的遗传学说，是模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜索和优化方法，它能在搜索过程中自动获取和累积有关搜索空间的知识，并自适应地控制搜索过程以求得最优的方案。它与传统的算法不同，许多传统的搜索都采用点对点的单点搜索方法，这种搜索方法对于多峰分布的搜索空间常常会因为陷于局部的某个单峰的极值点而保证不了计算精度。相反，遗传算法可以同时处理群体中多个个体，即对搜索空间中的多个解进行同时评估，因此遗传算法具备有较好的全局搜索性能，这也使得遗传算法本身易于并行化。染色体编码与解码基本遗传算法采用固定长度的二进制符号串表示群体中的个体，初始群体中个体的基因可以用均匀分布的数来随机产生。随机产生的 N 个初始串结构数据，每个串结构数据称为一个个体， N 个个体称为一个群体。
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结论
本文以传动系统中典型弱刚度件右端框作为主要研究对象，针对薄壁结构件右端框关键工序——止口内圆车削展开研究。从切削参数对切削力的影响分析为切入点，重点研究了切削力对加工变形的规律，通过优化切削力模型实现了减小加工变形的目的。主要研究成果如下：
1 、根据金属切削机理，分析了切削力解析模型。并通过对右端框材料ZG32MnMo 样件进行切削力回归正交实验，建立了右端框的车削力经验模型，为右端框止口内圆切削力优化奠定了理论基础；
2、基于弹塑性有限元理论，利用 ABAQUS 软件对 ZG32MnMo 进行了二维正交切削仿真，得到了切屑形成过程以及切削力随时间的变化规律，为右端框三维切削加工过程奠定了基础。
3、通过分析右端框止口内圆三维车削加工的特点，建立了弱刚度件右端框车削加工过程的力学模型和三维有限元模型，应用 ABAQUS 有限元软件，完成了右端框止口内圆的三维切削过程的仿真，得到了右端框车削后的切屑、切削力随切削参数变化规律以及止口内圆已加工表面的加工变形量随切削力的变化曲线，为后续加工变形的优化提供了理论基础。
4、采用遗传优化算法设计了切削参数的优化方案，以主切削力经验模型为目标函数，根据生产实际所采用的工装条件拟定优化模型约束条件，计算得出在满足生产节拍和加工表面质量的前提下的切削力优化结果，为优化工艺方案和工艺参数以及建立工艺数据库提供了重要的基础。
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参考文献（略）