鈦合金航空整體結構件銑削加工變形的預測理論及方法研究.pdf

1、整體結構件的數(shù)控加工變形是航空制造業(yè)面對的最突出問題之一。鈦合金材料具有優(yōu)異的綜合機械性能，在航空整體結構件中獲得了大量的應用。但是由于鈦合金切削加工中大的切削力、高的切削溫度、小的彈性模量力學屬性以及零件不均勻的初始應力分布，使鈦合金整體結構件數(shù)控加工中的變形問題更加復雜，嚴重影響了鈦合金航空整體結構件的生產效率和最終產品精度。本文在闡述航空整體結構件國內外加工研究現(xiàn)狀、產生變形原因的基礎上，采用實驗研究、理論建模和有限元模擬分析相結

2、合的方法，對鈦合金航空整體結構件銑削加工變形的預測方法和加工變形規(guī)律進行了深入、系統(tǒng)的研究。 論文首先研究了鈦合金銑削加工環(huán)境中的材料本構模型。根據(jù)正交切削理論建立了剪切區(qū)內應力、應變、應變率、溫度以及二維切削力的數(shù)學模型，形成了以剪切區(qū)長度和厚度比值為迭代變量的建模技術路線。在動態(tài)壓縮力學性能實驗(SHPB實驗)和直角銑削實驗的基礎上，通過對各變形參數(shù)的數(shù)學求解，建立了能夠反映切削加工環(huán)境下大應變、高應變率和高溫度特征的材料

3、本構模型。 采用有限元模擬和實驗兩種手段研究了鈦合金銑削加工中的切削力和切削溫度?；趯嶋H加工特征的分析建立了螺旋雙刃銑削加工有限元模型，研究了有限元模擬所必需的若干關鍵技術。利用該有限元模型分析了鈦合金銑削加工中切削力和切削溫度的周期變化規(guī)律，建立了切削力和切削溫度曲線。同時在對切削力和切削溫度實驗詳細設計和改進的基礎上，測量了銑削過程切削力和切削溫度曲線，分析了它們的數(shù)值及變化規(guī)律。有限元模擬和實驗研究的一致性表明所建立

4、的切削力和切削溫度曲線是正確的。 基于熱力學和彈塑性力學理論，采用準耦合分析方法模擬了退火熱處理過程，建立了鈦合金毛坯的三維殘余應力場。采用剝層法和X射線衍射法相結合進行了鈦合金毛坯殘余應力測試，實驗結果和模擬結果的一致性表明有限元模擬退火產生的殘余應力是可信的。按照與實際零件幾何尺寸和切割位置嚴格對應的原則，對模擬鈦合金毛坯進行相應截取，獲得了具有初始殘余應力場的航空整體結構件數(shù)字化毛坯。 在建立材料本構模型、切削

5、力和切削溫度載荷以及毛坯初始殘余應力場的基礎上，通過分析航空整體結構件銑削加工特征，從轉化刀具切削作用這一角度出發(fā)建立了鈦合金航空整體結構件銑削加工的彈塑性熱力耦合有限元模型。研究了銑削加工模擬所涉及的材料去除、切削載荷施加、銑削加工路徑以及約束轉換等關鍵技術，采用接力計算方法模擬了鈦合金航空整體結構件銑削加工過程并對加工變形進行了預測。通過模擬分析毛坯初始殘余應力、切削載荷及其耦合因素對航空整體結構件加工變形的影響規(guī)律，指出切削載荷是