第一章 緒論

當前加工變形問題的研究目標是建立理論模型，分析輸入?yún)?shù)(影響變形的因素)對輸出結果(變形)的影響，旨在降低加工變形量，保證零件設計尺寸精度。已有研究結果表明[5,6]：加工變形問題的建模涉及了材料學、力學和機械制造等多學科，加工過程是瞬時的高溫高壓、高應變率、塑性變形的多場耦合過程，受到切削力、切削熱、裝夾系統(tǒng)、工藝參數(shù)、工況、材料初始殘余應力和加工殘余應力等多種因素的影響，目前仍是航空航天制造業(yè)亟待解決的難題。變形控制技術涉及國防工業(yè)關鍵技術，國外研究成果一般都是內(nèi)部使用且對外界保密和封鎖。隨著全球產(chǎn)業(yè)競爭的日趨加劇，大飛機產(chǎn)業(yè)成為世界各國重點發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和著力搶占的“制高點”，理論和實踐都已表明，大飛機產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟具有明顯的拉動作用，對于推動產(chǎn)業(yè)結構升級，促進區(qū)域經(jīng)濟增長亦具有重要意義。中國大飛機科技重大專項的研制必須解決整體結構件的加工變形問題。本課題正是在這一背景下開展飛機鋁合金弱剛性結構件的殘余應力和加工變形問題研究。課題受到國家自然科學基金(No.51405226)、國家科技重大專項(No.2012ZX04003021)和國防技術基礎科研項目(No.C1520120002, J1520130001)的資助。

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第二章 殘余應力場的測量與建模技術研究

2.1 試樣尺寸設計的力學基礎

通常情況下航空航天整體結構件毛坯尺寸大，試驗研究需要截取試樣。試樣的尺寸設計首先必須滿足試樣的應力狀態(tài)與母材的應力狀態(tài)相同(或者接近)。理論上，殘余應力在物體的任意截面法向上是自平衡力系。在截取試樣后造成的新的邊界面上，為滿足自由邊界條件，該截面法向的正應力與切應力都要為零。根據(jù)彈性理論中的圣維南原理(Saint Venant’s Principle)[90-92]: 如作用在彈性體表面上某一不大的局部面積上的力系，為作用在同一局部面積上的另一靜力等效力系所代理，則載荷的這種重新分布，只在離載荷作用很近的地方，才使應力的分布發(fā)生顯著的變化，在離載荷較遠處只有很小的影響。另一種表述為：改變載荷的分布，就等于疊加一個主矢為零、主矩也為零的力系。可以期望，這樣一個力系，如果作用在物體表面的微小部分上，只會引起局部性的應力和應變。該原理已經(jīng)有大量實例驗證，符合種種不同情況下的普遍經(jīng)驗，不限于服從胡克定律的彈性材料的小形變。研究表明，影響區(qū)域的大小，大致與等效力系作用區(qū)域相當[92,93]。本節(jié)采用數(shù)值仿真進行取樣尺寸的試驗研究。設長為 l，厚為 h 的試樣內(nèi)部存在長度方(x)的殘余應力x=6y2-6y+1(勒讓德二階多項式，滿足力與力矩平衡)，如圖 2.1(a)所示。當試樣沿某一截面截斷后，切割面的應力將部分釋放并重新分布，該過程如圖 2.1(b)-(c)所示。進行試驗測量時，為保證取樣和母材所含有的殘余應力相同，即(a)與(c)中心部分的應力應該一致，試樣取樣長度應該滿足特定的條件。根據(jù)圣維南原理，影響區(qū)域應該與厚度 h 相當。

2.2 典型特征結構的殘余應力場測量與建模修正

進行結構件加工變形問題研究時，需要以殘余應力數(shù)據(jù)為基礎分析加工工藝，殘余應力場的測量與建模是所有工作的基礎。工程應用需要綜合考慮精度、使用成本與可行性。由第一章的研究可知，目前試驗測量只能獲取部分殘余應力數(shù)據(jù)，完整應力場的建模只能依靠數(shù)值仿真技術。但是數(shù)值仿真是在特定條件下的理論假設，理論預測與試驗測量存在一定的誤差，使用時必須進行必要的模型修正�；跉堄鄳y試技術的特點與應用現(xiàn)狀，本文提出了基于典型結構特征的殘余應力場測試與建模技術，針對不同結構特點的材料，進行合理假設，由簡單向復雜過度，如圖 2.3 所示。采用合適的應力測試技術并結合數(shù)值仿真技術，建立完整的材料殘余應力場，為后續(xù)的加工變形分析與逆向結構設計提供數(shù)據(jù)支持。

第三章 殘余應力導致的加工變形機理研究.............50

3.1 理想彈性假設......................50
3.2 能量理論..........50
3.3 初始殘余應力與加工變形.............52
3.4 加工殘余應力與加工變形............59
3.5 階段剛度與極限判據(jù).........................65
3.6 能量理論的機翼壁板加工變形分析 ..................66
第四章 基于殘余應力的加工變形控制技術研究.......72
4.1 理論基礎.........................72
4.2 T 型縮比件的變形控制研究 ..............76
4.3 T 型結構件的變形控制研究 .................83
第五章 典型弱剛性結構件的加工變形試驗研究................92
5.1 引言..............92
5.2 薄壁件加工工藝分析.............93
5.3 單因素試驗與分析..............94
5.4 零件加工驗證.................104
5.5 本章小結.............105

第五章 典型弱剛性結構件的加工變形試驗研究

5.1 引言

基于本文第二、三章的基礎研究，研究了材料殘余應力場的測試與建模技術，提出了應力場的模型修正方法，揭示了兩類殘余應力造成加工變形的機理。結合以上基礎研究，本文第四章對于特定的鋁合金弱剛性零件提出了優(yōu)化余量分配的加工變形控制方法，并進行了系統(tǒng)的試驗驗證。本章將以航空航天中常見的弱剛性薄壁件為研究對象，結合加工工藝，綜合考慮初始殘余應力、加工殘余應力、銑削力、工藝設計等因素，開展以控制零件加工精度為優(yōu)化目標的相關探討和研究，為薄壁件的加工提供理論基礎和技術支撐。本章研究對象為某型號支架零件，幾何尺寸及公差要求如圖 5.1 所示，三維視圖如圖 5.2所示。零件材料為鍛造鋁合金 2A14，技術要求為：表面陽極處理與穩(wěn)定化處理。精度要求為儀器安裝面平面度≤0.04，底面平面度 0.06；儀器安裝面與底面垂直度≤0.15。

5.2 薄壁件加工工藝分析

支架的加工工藝流程如圖 5.3 所示，具體包括：1：下料。2：刨：刨六方 25025096 mm3。3：車：車零件中心孔到210mm。4：銑：粗銑零件外形及內(nèi)腔，單邊留 3mm 余量。5：時效處理：熱處理去應力。6：銑：粗銑零件外形及內(nèi)腔，單邊留 2mm 余量。7：時效處理：熱處理去應力。8：銑：半精銑零件外形及內(nèi)腔，單邊留 0.5mm 余量。9：熱處理：穩(wěn)定化處理。10：銑：精銑零件外形及內(nèi)腔。11：表：表面處理，入庫。該零件的加工精度要求極高，平面度要求為 0.04-0.06。結合工藝流程和零件結構，，加工變形的研究對象主要有以下幾個方面：由工藝流程可知，粗加工階段(中心孔的車削、銑削至單邊 3mm)材料去除率率高，變形主要受材料初始殘余應力的影響。因此合理選擇零件材料是值得注意的問題。半精/精加工階段結構剛性減弱，材料去除量很小(max=3mm)，變形受到加工殘余應力的影響，選取合適的加工參數(shù)降低影響加工應力是工藝設計的主要目標。半精/精加工階段，由于結構的弱剛性，裝夾力容易使零件發(fā)生變形。需要根據(jù)結構特

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第六章 總結與展望

本文以殘余應力為切入點，系統(tǒng)分析了殘余應力場的建模及修正技術、殘余應力導致加工變形的機理以及典型弱剛性結構件的實例研究，主要研究內(nèi)容及結論總結如下：(1) 基于實驗力學和彈性力學，系統(tǒng)分析薄板、梁類、回轉體和三維塊體的殘余應力，針對不同幾何特征的毛坯材料，提出了對應的殘余應力測試、建模與修正技術。薄板結構的應力場等效于平面應力狀態(tài)；梁結構的應力場近似等效平面應變狀態(tài)，工程應用可進一步等效為單向應力狀態(tài)；板和梁結構的應力測量和建模本質上是平面問題。回轉體和三維塊體的應力場為三維問題，測試與建模需要結合試驗和數(shù)值仿真技術才能獲得完整精確的應力場。(2) 分析了材料初始殘余應力、加工殘余應力對結構變形的影響，以能量理論為基礎建立了加工變形的機理。加工變形是殘余應力、零件外形和去除方式的函數(shù)。殘余應力是變形的本質原因，零件外形和去除方式是決定變形的邊界條件。材料初始殘余應力是材料熱工藝殘余能量的一種呈現(xiàn)方式，伴隨著材料去除以變形的方式保證系統(tǒng)勢能最小。加工變形可以通過優(yōu)化材料去除方式得以改善。加工殘余應力是已加工表面的殘余能量，是金屬切削加工不可避免的能量輸入，能量密度高但總量小，只對弱剛性的結構有影響。兩類殘余應力對變形的影響對應零件加工的不同階段：粗加工階段材料去除量大，加工變形主要由初始殘余應力導致。半精、精加工階段零件剛性弱，加工變形需要考慮加工殘余應力。

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參考文獻（略）

本文編號：208609