航空整体结构件切削加工过程的数值模拟与实验研究

摘要

整体结构件的加工变形是航空制造业面临的最突出问题之一，多年来一直困扰航空工业。为了有效减小或抑制零件加工变形，对航空整体结构件数控加工变形进行预测具有重要的意义和价值。本文在阐述航空整体结构件国内外加工研究现状的基础上，通过理论分析、有限元数值计算以及实验研究相结合的方法，从金属切削原理入手，对航空整体结构件的铣削加工变形预测进行了较为深入的研究。 基于高温拉伸实验和高速压缩实验，对航空铝合金材料7050-T7451静、动态力学性能进行了研究，得到了材料的弹性模量、屈服极限、强度极限，建立了材料本构关系模型。 通过研究金属切削加工模拟的若干关键技术，建立了铝合金7050-T7451二维正交(直角)切削加工和三维螺旋齿斜角切削加工的有限元模型。利用直角切削力和斜角切削力实验对该有限元模型进行了验证。进而，利用该模型对铝合金材料进行了切削加工模拟，分析了切削过程中的应力、应变、温度等物理量。分析了切屑形成过程，模拟得到了切削力。基于三维螺旋齿斜角切削加工模拟结果，得到了整体结构件铣削加工模拟所施加的切削力载荷。 从提高有限元计算效率角度出发，提出了铣削加工模拟“分析步”网格划分策略。通过切削载荷(包括切削力和切削热)的施加，实现了切削加工过程中热、力的耦合。通过三维螺旋齿斜角切削加工模拟得到的切削力，按照刀具的旋转角度作用到切削部位。通过将铣削加工过程中的热源简化为运动窄带热源，对工件进行传热分析得到了切削温度场。为了动态施加模拟过程中的边界条件和切削载荷、动态去除材料和场量数据映射，开发了接力计算系统。 为了验证铣削加工模拟分析步网格划分方法和建模思路，首先对三个小尺寸梁零件进行了铣削加工模拟。模拟过程综合考虑了材料毛坯内初始残余应力、切削载荷、装夹、加工顺序和走刀路径等因素，并利用开发的接力计算系统实现铣削加工模拟过程的自动化。通过加工实验验证了铣削加工模拟建模思路和模拟结果。在以上模拟分析和实验验证的基础上，研究了大型航空整体结构件——梁的加工变形。鉴于该零件加工工艺复杂性和结构复杂性，在分析航空结构件有限元建模原则基础上，对该零件进行了工艺简化和有限元分析模型简化，进而，采用铣削加工模拟的建模思路和方法对其进行了铣削加工模拟，预测了零件整体变形，分析了零件变形后的缘条、腹板和筋条的应力分布，模拟所得零件变形与现场加工基本一致。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章航空铝合金材料力学性能研究

第三章航空铝合金切削加工有限元模拟

第四章整体结构件铣削加工模拟关键技术研究

第五章航空整体结构件铣削加工变形预测

第六章结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表(撰写)的论文及参加的课题

致谢