基于多场耦合的平面铣削预变形理论及其补偿方法研究

针对低刚度的大型复杂工件平面铣削加工变形问题，本项目首先研究切削过程中装夹力、切削力、切削热之间的相互作用机制，揭示切削变形的多场耦合效应；其次，分析工件在装夹力、切削力、切削热耦合作用下的微观结构变化，研究残余应力的产生、变迁及其再分布机理，以及工件微观结构演化与宏观变形的本质联系；最后，基于上述研究成果，根据工件的服役环境，研究装夹预变形补偿策略，实现切削过程中装夹力、切削力、切削热的变形影响相互补偿，同时有效调控残余应力的产生与分布，以保障其服役环境下的最佳效果。本研究提出了工件切削变形补偿的新方法，开辟了装夹方案优化的新途径，能够有效降低大型复杂工件的制造成本，同时提高铣削质量与效率，具有重要的理论意义与实际应用价值。

高强度、高韧性的薄板/薄璧结构件在航空、航天、核电、汽车、船舶等产品中的广泛应用，为铣削变形控制提出了新的挑战。因此，正确揭示夹紧力、切削力、切削热、残余应力对工件铣削变形的耦合效应，构建合理的装夹预变形补偿方法，必将有效提高工件的加工质量。. 研究对比了面支撑与点支撑方式下铣削残余应力的产生规律；分析了夹紧力大小与夹紧点位置对工件铣削表面、次表面残余应力的影响。结果表明，铝合金6061薄板件的表面切削应力近似于二维平面应力；切削过程中，面支撑装夹的薄板件底面近似为弹性变形，而点支撑装夹的薄板件底面易产生持续塑性变形；工件次表面沿厚度方向的残余应力由表面较小的压应力(或拉应力)向压应力增大，达到最大值后再逐渐降低；当夹紧点位置向工件中部移动时，已加工表面中心点处最大压应力的深度随之增大，但夹紧力的大小对此影响不大。. 研究了铣削参数对切削应力产生的影响规律，应用响应面原理建立了切削应力与铣削参数之间的关系模型，设计了切削应力随工件厚度变化的分段多项式，实验确定了分段多项式的阶数与分界点，推导了给定切削参数下切削应力引起薄板件变形挠度的估算公式，并进行了实验验证。. 建立了薄板件装夹回弹变形的二维仿真模型。分别利用微观位错原理和宏观弹塑性变形原理研究了薄板件沿板厚方向的切削回弹变形分析方法，应用微观位错原理对点支撑装夹方式的薄板件在表层切削过程中的变形区进行了划分，并初步构建了基于微观位错的工件铣削回弹变形分析方法。研究表明内部应力重新分布是薄板件回弹变形的主要原因。. 根据应力叠加原理，设计了工件预拉伸辅助装夹变形补偿方法。分析了预拉应力对薄板件加工变形的作用机理，并通过仿真与切削实验进行了模型验证。实验结果表明，通过预拉伸装夹调整工件的拉伸应力，合理控制工件回弹变形，能够有效减小工件的铣削变形。. 利用夹紧点与支撑点的位置偏移，构建了工件预弯曲的铣削变形补偿方法，设计了预弯曲夹紧力的计算模型。结果表明：它可以明显提高工件的铣削平面度。以磁为基础，设计了双点压板，它的两个夹紧点对称分布在被装夹工件支撑点的两侧。分析了双点压板装夹对工件铣削变形的补偿机制，设计了工件弹性变形的计算方法。结果表明：端面铣削工件时，双点压板夹紧工件有较好的补偿作用，能够明显改善工件的加工质量。设计了夹紧力大小可动态调控的液压夹具系统，配合工件变形补偿。