雷达精密深腔壳体零件数控加工动力学研究

为了确定合理的精密深腔薄壁零件铣削加工工艺参数,借助动力学仿真的数控加工工艺参数优化方法,通过建立铣削过程动力学系统实验模态分析测试平台,测试具体加工机床和不同长径比刀具的动力学特性,再应用"切削过程动力学仿真优化系统"获取特定机床不同刀具特性、不同加工阶段加工系统的切削稳定域和优化的切削参数。从而有效提高零件材料的去除效率,抑制细长刀具的切削颤振现象,较好地解决精密深腔薄壁壳体零件铣削加工时侧壁产生切削振纹的难题。

一、引言

在相控阵雷达的精密构件中,有许多深腔薄壁且很小内圆角的壳体类构件。此类壳体零件是相控阵雷达的核心功能单元,内部安装了多种高频微波电路和微电子器件。其壳体表面粗糙度、底面平面度直接影响内置电子器件的接地与冷却效果,壳体零件外形尺寸的一致性又直接影响壳体组件的互换性。因此,对这类深腔壳体零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度都有很高的要求。

在这类零件的机械加工中,要用到很多细长刀具,即大长径比刀具,而细长的大长径比刀具拥有刚性差的特性。在使用大长径比刀具切削的过程中,如果加工参数选择不当,将出现刀具让刀引发的零件尺寸偏差,以及刀具产生切削颤振导致的零件加工面切削振纹,这些势必降低零件尺寸精度和表面质量。在常规的生产中,机械加工的切削参数主要依赖经验和零件的试切获得。在加工精密深腔薄壁壳体零件初期,由于加工工艺参数选择不当,深腔薄壁零件的内侧产生严重的切削振纹,后虽经反复试切获得新的切削参数,能加工出合格零件,但加工稳定性较差,零件加工合格率和加工效率较低。这些促使我们考虑借助先进的科学手段获取优化的数控加工切削工艺参数。利用先进的切削过程动力学仿真优化技术,借助创建数学模型、工程测试分析和仿真,通过对相关的切削机床进行动力学测试,以及对精密深腔薄壁壳体零件进行动力学仿真。在少量试验验证的基础上,快速获取精密深腔壳体等零件在不同加工阶段的切削稳定域和优化的切削参数。避免加工过程中刀具的颤振,显著提高零件表面质量、产品合格率和加工效率。

1、数控加工工艺参数动力学仿真优化系统的组成

基于动力学仿真数控加工工艺参数优化系统的组成如图l所示,主要包括:

(1)建立系统实验模态分析测试平台,进行模态参数辨别实验,测试切削机床一刀具的动力学特性;
(2)建立零件不同加工阶段的仿真分析模型,分析其对应的动力学特性;
(3)借助"铣削过程动力学仿真优化系统"综合确定不同刀具长径比,不同加工阶段情况下加工系统的切削稳定域和优化的切削参数。其作用是:合理选择切削参数,有效地抑制细长刀具切削颤振现象,提高零件的加工质量和加工效率。

二、深腔薄壁零件动力学特性仿真分析

零件系统的模态参数对于整个切削系统(机床-刀具-零件系统)颤振稳定域的确定有着重要的作用。考虑到零件的固有频率会随着零件几何形状的不同而改变,建立精密深腔壳体零件不同加工阶段的仿真分析模型,利用美国MSC/NASTRAN/MARC等CAE软件,按照实际装夹方式对工件进行约束,通过有限元模态仿真分析,获取各个阶段的工件动力学特性和工件系统的模态参数,为切削稳定域的计算提供基础数据。

如图2所示的薄壁深腔零件,在零件加工的初始阶段,零件的用。性很好,即零件的固有频率很高。对该零件来说,到加工后期,零件驱于变薄,随之零件的刚性减弱,在加工过程中可能会引起零件的颤振。所以重点考虑加工到最终阶段时的工件刚性。加工后期的零件半成品如图3所示。

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