航空鋁合金殘余應(yīng)力及切削加工變形研究.pdf

1、航空整體結(jié)構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、材料去除率高、薄壁部位多、剛性差等特點，在加工過后，零件通常會出現(xiàn)彎曲、扭曲或彎扭組合等變形，加工精度難以達(dá)到設(shè)計要求。本文以航空鋁合金7050-T7451為研究對象，圍繞引起整體結(jié)構(gòu)件加工變形的主要因素，即毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放與重分布，銑削加工引入的殘余應(yīng)力，以及銑削力、銑削熱和裝夾載荷的作用，借助理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬等研究手段，研究影響變形的各因素在加工的各階段所起的作用及引起的變形形式

2、，明確整體結(jié)構(gòu)件加工變形的產(chǎn)生機理，從而為航空整體結(jié)構(gòu)件的加工變形的控制和工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。 本文分析了航空鋁合金預(yù)拉伸板7050-T7451內(nèi)部殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機理，指出毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力主要在熱軋和固溶化淬火工藝過程中產(chǎn)生，采用預(yù)拉伸的方法進(jìn)行消減；基于裂紋柔度法測量鋁合金厚板內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，采用有限元法計算得到測試試樣的裂紋柔度函數(shù)，在分析應(yīng)力計算不確定度來源的基礎(chǔ)上，研究裂紋柔度法中插值函數(shù)及其階數(shù)的選擇對

3、應(yīng)力計算結(jié)果不確定度的影響，基于應(yīng)力不確定度的最小化目標(biāo)，確定9階勒讓德多項式是擬合鋁合金預(yù)拉伸板內(nèi)部殘余應(yīng)力的一種理想的插值函數(shù)及其階數(shù)；計算得到45mm厚鋁合金預(yù)拉伸板7050-T7451內(nèi)部殘余應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)果表明板內(nèi)殘余應(yīng)力呈明顯的外壓內(nèi)拉的“M型曲線”分布，為分析與預(yù)測毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力引起的加工變形問題奠定基礎(chǔ)。 本研究采用DEFORM-2D和DEFORM-3D有限元軟件，建立二維正交切削加工和三維斜角切削加工航空

4、鋁合金仿真模型。采用Johnson-Cook模型描述材料的流動應(yīng)力行為，采用單元自適應(yīng)網(wǎng)格重劃技術(shù)與分離準(zhǔn)則相結(jié)合實現(xiàn)切屑與工件的分離，選用無量綱Cockcroft & Latham斷裂準(zhǔn)則實現(xiàn)材料的斷裂，摩擦模型的建立通過劃分粘結(jié)區(qū)和滑動區(qū)，分別應(yīng)用不同的摩擦系數(shù)來描述。設(shè)計正交切削力實驗，驗證有限元模型的正確性?；诜抡婺Ｐ皖A(yù)測熱-力耦合作用下工件、切屑中的非均勻應(yīng)變場、應(yīng)力場、溫度場以及切削力，分析后刀面磨損量、刃傾角、刀刃鈍圓半

5、徑等刀具幾何參數(shù)對切削力和切削溫度場分布的影響。基于Doelle-Hauk法測量銑削加工航空鋁合金工件表面殘余應(yīng)力的狀態(tài)，結(jié)果表明：應(yīng)力主平面與試樣表面基本平行，銑削加工鋁合金表面殘余應(yīng)力近似處于二維平面應(yīng)力狀態(tài)；采用X射線衍射和電解拋光逐層剝除相結(jié)合的方法，測試銑削加工航空鋁合金殘余應(yīng)力沿層深的分布規(guī)律，分析主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、后刀面磨損量對加工殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響，結(jié)果表明：銑削加工引入的殘余應(yīng)力沿層深的分布與后刀面磨損量密切相關(guān)

6、，其次是主軸轉(zhuǎn)速，而每齒進(jìn)給量對殘余應(yīng)力的影響不大；建立三維雙刃斜角變切屑厚度有限元模型，采用Kistler測力儀獲得銑削過程中的動態(tài)切削力分布，采用紅外熱像儀測試得到銑削過程中切屑中的最高溫度，通過有限元分析與試驗研究相結(jié)合，獲得不同切削條件下的工件已加工表面溫度場的分布規(guī)律?；跓嵋涣︸詈侠碚?，對銑削加工殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機理進(jìn)行解釋。建立航空鋁合金初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放與重分布引起加工變形的理論解析模型與有限元模型，基于有限元法分析材料切

7、削去除過程中雙向毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放與重分布引起的矩形板工件加工變形規(guī)律，結(jié)果表明：毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放與重分布造成了工件整體上的彎曲變形；采用組合函數(shù)近似表達(dá)銑削加工引入的殘余應(yīng)力，解決了有限元模型中加工殘余應(yīng)力的自平衡問題。研究銑削加工引入的殘余應(yīng)力引起的加工變形規(guī)律，得出結(jié)論：加工引入的殘余拉伸或壓縮應(yīng)力造成了工件整體上的彎曲變形，加工殘余剪切應(yīng)力造成了工件整體上的扭轉(zhuǎn)變形，且扭轉(zhuǎn)變形量大于彎曲變形量；研究多框體零件隔框加工順

8、序以及雙面結(jié)構(gòu)零件加工工藝對加工變形的影響，基于加工變形的最小化目標(biāo)，得到最優(yōu)的隔框加工順序方案及工藝路線方案。 綜合考慮毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、裝夾效應(yīng)、銑削機械載荷、銑削熱載荷、加工引入的殘余應(yīng)力對加工變形的影響，建立多因素耦合作用下工件加工變形的預(yù)報模型；設(shè)計框類結(jié)構(gòu)件的高速銑削加工試驗，采用三坐標(biāo)測量機測量工件的加工變形，通過有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的比較，驗證預(yù)報模型的正確性。多因素耦合變形預(yù)報模型的建立為進(jìn)一步研究加工變