在航空航天工业中,结构件的数控铣削加工是一种广泛采用的机械加工过程。然而,由于这些构件的薄壁弱刚度特征,实际加工过程中的刀具/工件变形引起的加工误差,严重影响着工件的加工精度及表面质量,在极端情况下造成零件报废。因而,研究薄壁件铣削过程加工变形的预测和控制,对实现制造业中的加工工艺方案和加工参数的合理选取具有重要意义。为此,本文以薄壁件周铣加工过程为研究对象,结合切削基本原理和有限元数值计算技术,对加工变形预测方法及其相关技术从以下几个方面进行了研究: (1) 研究了刀具与工件的建模方法。本文提出了刀具与工件独立建模的思想,即刀具与工件的建模坐标系自由选取,网格划分方法与网格类型自由选取。刀具通过等效悬臂梁进行建模。首次提出了采用非规则有限元网格进行工件模型离散的方法,为复杂构件的网格划分提供了一种通用方法。通过应用空间坐标变换理论,建立了刀具工件模型的协调方程,并以此为基础,给出了任意加工瞬态切削力向刀具节点与工件节点等效离散的计算公式。 (2) 以上面的研究为基础,建立了三套加工变形和表面静态误差预测模型,即刚性模型、定刚度柔性模型以及变刚度柔性模型。刚性模型不考虑加工变形以及因材料去除引起的工件刚度变化的影响。在定刚度柔性模型中建立了基于修正因子的加工变形耦合新算法,但没考虑工件刚度变化。变刚度柔性模型不仅考虑加工变形的反馈影响,而且考虑材料去除引起的工件刚度变化;工件刚度的变化,借鉴结构拓扑优化中的密度变量思想,通过在恒定网格下对单元刚度的修改实现工件总体刚度的修正。以上各模型并不依赖于刀具与工件网格划分方法,因而在复杂构件的周铣加工中也具有良好的通用性。 (3) 对快速有效的有限元分析技术的研究。针对柔性模型中有限元分析次数多且工件节点和工况数目庞大的特点,本文基于弹性变形假设,提出采用单位载荷法对工件进行有限元分析的方法。同时,采用悬臂梁理论对刀具进行变形分析。通过使用这些技术,提高了计算效率,大大节省了计算时间。 最后,以典型的铝、钛合金航空材料构件为例,对本文所建立的研究方法进行了数值仿真研究,数值计算结果与试验数据比较表明,所建立的方法能有效地预测薄壁件的变形误差。