精密薄壁回转体零件加工残余应力及变形的研究

摘要

随着航空航天技术的不断发展，为了提高航空元器件的精度稳定性、延长使用寿命、降低生产成本，对零件使用性能的要求越来越高。近年来，由于薄壁零件具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，在航空航天、精密仪器等行业得到了广泛的应用。但是，由于薄壁零件结构的特殊性，其刚度较低，在加工过程中受切削力、切削热以及装夹等因素的作用很容易发生变形，加工后零件的初始残余应力和切削加工残余应力耦合产生新的残余应力分布，这些因素都将影响零件使用性能和精度的长期稳定性。因此，本文在分析国内外薄壁零件加工的基础之上，以提高航空航天薄壁零件的质量和使用性能为目的，通过理论分析、仿真模拟和科学试验等方法，对薄壁回转体零件加工变形和残余应力进行预测和控制。
　　本文通过对国内外残余应力和薄壁零件加工变形研究现状的分析，基于Johnson-Cook流动应力模型，建立了考虑前刀面、刃口半径和后刀面的三个区域影响的切削力的预测数学模型。该模型在切削过程中，引入了材料的应变和应变率，更符合切削过程大应变，高应变率的情况。给出了Oxley常数的数学公式，该公式引入了切削参数和刀具参数。通过所建立的切削力预测数学模型，研究了刀具参数和切削参数对切削力的影响规律，并进行了切削实验，验证了切削力预测数学模型的正确性。
　　根据已经建立的切削力公式，结合Jaeger提出的温度模型和滚动/滑动接触分析模型，建立了考虑剪切区，刃口半径和后刀面磨损的三个区域影响的切削加工残余应力的预测数学模型。通过所建立的切削加工残余应力的预测数学模型，研究了刀具参数和切削参数对切削加工残余应力的影响规律，并进行了切削实验，验证了残余应力预测数学模型的正确性。
　　根据弹塑性有限元理论，采用ABAQUS软件建立了切削加工三维有限元模型，对切削过程中的切削力、切削热和切削加工残余应力进行有限元模拟，研究了刀具参数和切削参数对切削力、切削热和切削加工残余应力的影响规律，同时还研究了不同加工工序对残余应力分布的影响。将有限元模拟得到的结果与预测数学模型和切削实验的结果进行比较，可以看出得到规律的一致性。
　　在已有切削力模型、温度模型和残余应力模型的基础上建立了基于初始残余应力、切削力和切削热的薄壁零件加工变形的预测数学模型，对薄壁回转体零件在加工过程中的加工变形进行预测，采用ABAQUS软件对薄壁回转体的热处理过程进行有限元模拟，获得零件的初始残余应力的分布，并进行了热处理实验，验证了有限元模拟的正确性。采用ABAQUS软件的“生死单元”方法模拟了薄壁回转体零件的加工变形，并与理论预测结果进行了比较，结果一致。同时，还模拟了两种不同装夹方式条件下零件的加工变形。
　　本文采用有限元模拟和通用旋转试验设计相结合的方法进行模拟试验规划，采用遗传算法对建立的切削加工残余应力最大值预测模型进行了参数辨识，给出了回归显著、表达简单、易于分析各切削参数对切削加工表面残余应力影响的预测模型。并以残余应力的最大值为约束条件，对切削参数进行了优化。利用预测模型分析各切削参数对表面残余应力的影响规律，与预测数学模型和切削实验得到的结论一致。

目录

精密薄壁回转体零件加工残余应力及变形的研究

RESEARCH ON RESIDUAL STRESSES AND DEFORMATION OF THIN-WALLED PRECISION ROTARY PARTS INDUCED BY MACHINING

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 残余应力的定义和分类

1.2.1 残余应力的定义

1.2.2 残余应力的分类

1.3 残余应力对零件性能的影响和消除方法

1.3.1 残余应力对零件性能的影响

1.3.2 残余应力的消除方法

1.4 国内外切削加工残余应力研究现状

1.4.1 切削加工表面残余应力的产生机理

1.4.2 切削加工表面残余应力的研究方法

1.5 国内外薄壁零件加工变形的研究现状

1.5.1 薄壁零件加工变形的影响因素

1.5.2 薄壁零件加工变形的研究方法

1.6 残余应力的测试方法

1.7 本课题的主要研究内容

第2章 切削加工残余应力数学模型的建立

2.1 引言

2.2 已加工表面形成过程分析模型的建立

2.3 基于Johnson-Cook流动应力模型的切削力预测模型的建立

2.3.1前刀面上切削力模型的建立

2.3.2 切削刃口上切削力模型的建立

2.3.3 刀具后刀面上切削力模型的建立

2.3.4 刀具的平均动态前角模型

2.3.5 二维切削与三维切削之间的转换

2.3.6 切削力模型的参数响应

2.3.7 切削力的实验研究

2.4 正交切削加工切削温度模型的建立

2.5 正交切削加工残余应力预测模型的建立

2.5.1 切削过程中工件内应力分布

2.5.2 切削加工工件内残余应力的计算

2.5.3 残余应力模型的参数响应

2.6 本章小结

第3章 切削加工三维模型的有限元模拟与分析

3.1 引言

3.2 切削加工过程有限元三维模型的建立

3.2.1 材料的弹塑性本构关系

3.2.2 工件的材料模型

3.2.3 切屑与工件分离准则

3.2.4 工件与刀具的摩擦边界条件

3.2.5 工件与刀具的热传导模型

3.2.6 工件和刀具的网格划分

3.3 切削加工过程三维有限元模拟

3.3.1 切削力的有限元模拟

3.3.2 切削热的有限元模拟

3.3.3 切削加工残余应力的有限元模拟

3.3.4 残余应力有限元模型与预测数学模型结果的比较

3.4 本章小结

第4章 回转体薄壁零件加工的仿真研究

4.1 引言

4.2 薄壁回转体零件加工变形预测模型的建立

4.2.1 初始残余应力引起零件变形的预测模型建立

4.2.2 刀具作用引起零件变形的预测模型建立

4.3 薄壁回转体零件初始残余应力的有限元模拟与实验

4.3.1 热处理残余应力的影响因素

4.3.2 热处理过程的有限元模拟

4.3.3 热处理结果的实验对比

4.4 薄壁回转体零件加工变形的仿真

4.4.1 材料的去除

4.4.2 载荷的施加与获取

4.4.3 薄壁零件变形的仿真结果与分析

4.5 本章小结

第5章 面向残余应力的切削参数优化及实验研究

5.1 引言

5.2 模拟试验规划

5.3 基于遗传算法的切削加工残余应力预测模型的参数辨识

5.3.1 遗传算法的基本操作

5.3.2 遗传算法的理论基础

5.3.3 预测模型的建立及模型的遗传算法参数识别

5.3.4 模型参数辨识的结果

5.4 面向残余应力的切削参数优化

5.4.1 切削参数优化数学模型的建立

5.4.2 切削用量的优化结果

5.5 预测模型的切削参数响应

5.5.1 切削速度对表面残余应力的影响

5.5.2 进给量对表面残余应力的影响

5.5.3 背吃刀量对表面残余应力的影响

5.6 切削加工表面残余应力的实验研究

5.6.1 切削加工表面残余应力的实验方案

5.6.2 切削加工表面残余应力的测试方法

5.6.3 切削速度对表面加工残余应力的影响

5.6.4 进给量对表面加工残余应力的影响

5.6.5 背吃刀量对表面加工残余应力的影响

5.6.6 残余应力预测结果与实验结果的对比

5.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历