切削路径与残余应力状态的关联性探讨

摘要

热，力强耦合作用产生的加工残余应力不仅直接影响零件的疲劳寿命、耐腐蚀性等，而且将导致零件（如大型薄壁零件）加工精度难以控制，已成为高性能零件加工制造必须考虑的关键环节。由于受刀具几何、切削参数、被加工材料、切削路径等多因素影响，加工残余应力的溯源、预估等极其困难。而实际零件工艺规划、参数制定往往没有考虑加工表面残余应力的影响。本文以大型薄壁件（如火箭贮箱栅格壁板）高性能加工为目标，从切削路径与加工残余应力分布状态的关联性入手，开展探索性研究工作。
　　针对切削主要作用区域对残余应力影响不明确的问题，建立基于切削作用区域分解的残余应力预测模型，并通过与实验数据对比验证了预估模型的准确性;以典型航空航天铝合金7075-T651为目标材料，采用模型分析了其加工表面残余应力的产生方式以及多深度多层切削对残余应力分布的影响规律。
　　建立针对多铣削参数（主轴转速、切削深度、进给速度、切削路径）的正交铣削试验，研究不同切削参数对表面残余应力分布的影响规律;确定切削路径，相比于其他切削参数，对栅格已加工平面残余应力的大小和均匀性的影响优先顺序。
　　针对切削路径与残余应力分布状态的关联性问题，本文进行了单因素铣削加工和残余应力检测实验，分析三种典型路径下两个方向的残余应力幅值的分布规律，同时通过对各应力场梯度的分布状态的分析比较了不同切削路径对残余应力场分布均匀性的影响规律，发现外环式切削路径在对改善整体应力状态方面的优势。
　　本文建立的残余应力仿真模型提供了一种残余应力的快速预估方法;运用模型进行的多层切削加工模拟对实际加工时的分层方法提出了有效的建议;而通过多切削路径的铣削实验研究，及针对切削路径与残余应力的关联性分析，为实际零件加工过程中残余应力的改善和控制提供了思路。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 残余应力的研究现状

1．2．1 试验研究

1．2．2 解析建模方法

1．2．3 有限元模拟方法

1．3 切削路径相关研究现状

1．3．1 面向加工效率的切削路径规划研究

1．3．2 面向切削状态的切削路径规划研究

1．4 目前研究存在的问题

1．5 课题来源及主要研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 主要研究内容

2 残余应力形成机理和切削作用区域分析

2．1 残余应力的定义及分类

2．2 切削加工残余应力形成机理

2．2．1 机械载荷引起的残余应力

2．2．2 热载荷引起的残余应力

2．3 基本变形区的载荷分析

2．3．1 切屑变形区的力学分析

2．3．2 切屑变形区的热载荷分析

2．3．3 犁耕作用区的力学分析

2．3．4 犁耕作用区的热载荷分析

2．4 残余应力产生的基础分析

2．5 本章小结

3 基于切削作用区域分解的残余应力预估

3．1 分离式正交切削模型的建立

3．2 切削加工的有限元分析

3．2．1 材料本构模型

3．2．2 材料断裂准则

3．2．3 切削热模型

3．2．4 摩擦模型

3．3 残余应力仿真计算及结果验证

3．3．1 残余应力预估计算过程

3．3．2 模拟方法准确性比较验证

3．4 铝合金加工残余应力结果分析

3．4．1 无切屑模型分析不同刀尖半径对残余应力的影响

3．4．2 无犁耕模型分析不同切削厚度对残余应力的影响

3．5 分层切削残余应力分布分析

3．5．1 第一层切削计算结果分析

3．5．2 分层多深度计算结果分析

3．6 本章小结

4 基于正交设计的切削路径影响度分析

4．1 切削路径影响度分析正交实验方法

4．1．1 实验材料及设备

4．1．2 实验内容及方法

4．2 残余应力的检测方法

4．2．1 X射线衍射法检测基本原理

4．2．2 残余应力检测实验

4．3 残余应力分布的实验结果统计

4．4 切削路径对残余应力分布的影响度分析

4．4．1 不同加工参数对表面残余应力值的影响分析

4．4．2 不同加工参数对表面残余应力分布的影响分析

4．5 本章小结

5 典型切削路径的残余应力分布状态分析

5．1 实验方法及内容

5．2 切削路径与残余应力分布数值的关联性分析

5．2．1 往复路径残余应力结果分析

5．2．2 内环路径残余应力结果分析

5．2．3 外环路径残余应力结果分析

5．3 切削路径与残余应力分布均匀性的分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢