航空铝合金残余应力及切削加工变形研究

摘要

航空整体结构件具有结构复杂、尺寸大、材料去除率高、薄壁部位多、刚性差等特点，在加工过后，零件通常会出现弯曲、扭曲或弯扭组合等变形，加工精度难以达到设计要求。本文以航空铝合金7050-T7451为研究对象，围绕引起整体结构件加工变形的主要因素，即毛坯初始残余应力的释放与重分布，铣削加工引入的残余应力，以及铣削力、铣削热和装夹载荷的作用，借助理论分析、实验研究和数值模拟等研究手段，研究影响变形的各因素在加工的各阶段所起的作用及引起的变形形式，明确整体结构件加工变形的产生机理，从而为航空整体结构件的加工变形的控制和工艺参数优化提供理论依据。 本文分析了航空铝合金预拉伸板7050-T7451内部残余应力的产生机理，指出毛坯初始残余应力主要在热轧和固溶化淬火工艺过程中产生，采用预拉伸的方法进行消减；基于裂纹柔度法测量铝合金厚板内部残余应力的分布规律，采用有限元法计算得到测试试样的裂纹柔度函数，在分析应力计算不确定度来源的基础上，研究裂纹柔度法中插值函数及其阶数的选择对应力计算结果不确定度的影响，基于应力不确定度的最小化目标，确定9阶勒让德多项式是拟合铝合金预拉伸板内部残余应力的一种理想的插值函数及其阶数；计算得到45mm厚铝合金预拉伸板7050-T7451内部残余应力分布规律，结果表明板内残余应力呈明显的外压内拉的“M型曲线”分布，为分析与预测毛坯初始残余应力引起的加工变形问题奠定基础。 本研究采用DEFORM-2D和DEFORM-3D有限元软件，建立二维正交切削加工和三维斜角切削加工航空铝合金仿真模型。采用Johnson-Cook模型描述材料的流动应力行为，采用单元自适应网格重划技术与分离准则相结合实现切屑与工件的分离，选用无量纲Cockcroft & Latham断裂准则实现材料的断裂，摩擦模型的建立通过划分粘结区和滑动区，分别应用不同的摩擦系数来描述。设计正交切削力实验，验证有限元模型的正确性。基于仿真模型预测热-力耦合作用下工件、切屑中的非均匀应变场、应力场、温度场以及切削力，分析后刀面磨损量、刃倾角、刀刃钝圆半径等刀具几何参数对切削力和切削温度场分布的影响。基于Doelle-Hauk法测量铣削加工航空铝合金工件表面残余应力的状态，结果表明：应力主平面与试样表面基本平行，铣削加工铝合金表面残余应力近似处于二维平面应力状态；采用X射线衍射和电解抛光逐层剥除相结合的方法，测试铣削加工航空铝合金残余应力沿层深的分布规律，分析主轴转速、进给速度、后刀面磨损量对加工残余应力分布规律的影响，结果表明：铣削加工引入的残余应力沿层深的分布与后刀面磨损量密切相关，其次是主轴转速，而每齿进给量对残余应力的影响不大；建立三维双刃斜角变切屑厚度有限元模型，采用Kistler测力仪获得铣削过程中的动态切削力分布，采用红外热像仪测试得到铣削过程中切屑中的最高温度，通过有限元分析与试验研究相结合，获得不同切削条件下的工件已加工表面温度场的分布规律。基于热一力耦合理论，对铣削加工残余应力的产生机理进行解释。建立航空铝合金初始残余应力的释放与重分布引起加工变形的理论解析模型与有限元模型，基于有限元法分析材料切削去除过程中双向毛坯初始残余应力的释放与重分布引起的矩形板工件加工变形规律，结果表明：毛坯初始残余应力的释放与重分布造成了工件整体上的弯曲变形；采用组合函数近似表达铣削加工引入的残余应力，解决了有限元模型中加工残余应力的自平衡问题。研究铣削加工引入的残余应力引起的加工变形规律，得出结论：加工引入的残余拉伸或压缩应力造成了工件整体上的弯曲变形，加工残余剪切应力造成了工件整体上的扭转变形，且扭转变形量大于弯曲变形量；研究多框体零件隔框加工顺序以及双面结构零件加工工艺对加工变形的影响，基于加工变形的最小化目标，得到最优的隔框加工顺序方案及工艺路线方案。 综合考虑毛坯初始残余应力、装夹效应、铣削机械载荷、铣削热载荷、加工引入的残余应力对加工变形的影响，建立多因素耦合作用下工件加工变形的预报模型；设计框类结构件的高速铣削加工试验，采用三坐标测量机测量工件的加工变形，通过有限元模拟结果与试验结果的比较，验证预报模型的正确性。多因素耦合变形预报模型的建立为进一步研究加工变形的控制技术提供依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号及其单位

声明

第1章绪论

1.1课题的研究背景与意义

1.2航空整体结构件加工变形的研究现状

1.2.1航空铝合金的应用现状

1.2.2航空整体结构件加工变形成因分析

1.2.3航空铝合金毛坯初始残余应力的研究现状

1.2.4切削加工残余应力的研究现状

1.2.5航空整体结构件加工变形的研究现状

1.3切削加工有限元模拟的研究现状

1.4存在问题及课题的提出

1.5课题研究的主要内容

1.6论文结构

第2章航空铝合金预拉伸板残余应力的分布规律

2.1残余应力的产生与分类

2.1.1残余应力的分类

2.1.2铝合金预拉伸板内部残余应力的产生

2.2现有的铝合金厚板残余应力的测试方法原理及特点

2.2.1逐层钻孔法

2.2.2剥层X射线衍射法

2.2.3改进剥层法

2.2.4裂纹柔度法

2.2.5厚板内部残余应力测量方法的比较分析

2.3航空铝合金预拉伸板内部残余应力分布测试

2.3.1试验试样

2.3.2数控线切割试验

2.3.3裂纹柔度函数计算

2.3.4应力不确定度评定

2.3.5插值函数及其阶数的选择

2.3.6试验结果与讨论

2.4本章小结

第3章航空铝合金切削力与切削热的数值仿真

3.1金属切削加工有限元法的理论基础

3.1.1几何非线性

3.1.2材料非线性

3.1.3弹塑性有限元问题的求解

3.2金属切削加工有限元模拟的关键技术

3.2.1材料本构模型

3.2.2切屑与工件的分离、断裂准则

3.2.3刀-屑间的接触、摩擦特性

3.2.4能量耗散与局部热传导

3.2.5网格重划分技术

3.3二维正交切削加工仿真模型

3.3.1二维正交切削仿真模型的建立

3.3.2二维正交切削仿真结果

3.3.3切削力的试验验证

3.4三维斜角切削加工仿真模型

3.4.1三维斜角切削加工特点

3.4.2三维斜角切削仿真模型的建立

3.4.3三维斜角切削仿真结果与讨论

3.5本章小结

第4章高速铣削航空铝合金的表层残余应力

4.1高速铣削加工试验

4.2高速铣削加工表面残余应力的测试与分析

4.2.1残余应力测试仪器及原理

4.2.2铣削加工铝合金表面三维残余应力测试

4.2.3不同转速与几何位置处表面残余应力分析

4.2.4后刀面磨损量对表面残余应力分布的影响

4.2.5刀尖圆弧半径对表面残余应力分布的影响

4.3高速铣削加工表层残余应力的测试与分析

4.3.1主轴转速对表层残余应力分布的影响

4.3.2进给量对表层残余应力分布的影响

4.3.3后刀面磨损量对表层残余应力分布的影响

4.4高速铣削航空铝合金的切削力与切削温度

4.4.1高速铣削切削力试验

4.4.2高速铣削工件表面温度场

4.5高速铣削残余应力产生机理分析

4.6本章小结

第5章基于残余应力的航空结构件加工变形研究

5.1过切与欠切引起的表面尺寸误差

5.2毛坯初始残余应力引起的工件整体变形

5.2.1毛坯初始残余应力引起工件变形的解析法求解

5.2.2毛坯初始残余应力引起工件变形的有限元法求解

5.2.3解析法和有限元法计算结果的对比与分析

5.2.4毛坯初始残余应力的释放与重分布引起的加工变形

5.3铣削加工残余应力引起的工件整体变形

5.3.1铣削加工残余应力的近似表达

5.3.2铣削加工引入残余拉压应力引起的加工变形

5.3.3铣削加工残余剪切应力引起的加工变形

5.4工艺路线对航空结构件加工变形的影响

5.4.1隔框加工顺序对加工变形的影响

5.4.2工艺路线对加工变形的影响

5.5本章小结

第6章多因素耦合作用下框类结构件的加工变形

6.1多因素耦合加工变形预报模型的建立

6.1.1多因素耦合加工变形预报模型建立步骤

6.1.2多因素耦合加工变形预报模型建立的关键技术

6.2多因素耦合加工变形仿真结果分析与试验验证

6.2.1多因素耦合加工变形的仿真结果

6.2.2多因素耦合加工变形的试验验证

6.3本章小结

第7章结论与展望

7.1全文总结

7.2创新点

7.3工作展望

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文及科研情况

致谢

发表论文一

发表论文二