發(fā)布時間：2016-06-08 22:21

第一章  緒論 

1.1  研究背景及意義
隨著現(xiàn)代航空航天領域的高速發(fā)展，各大企業(yè)對零件的質(zhì)量要求日益增高，特別薄壁類零件，因其高承載能力、高強度、質(zhì)量輕等特性，在航空航天領域中得到廣泛應用，特別是在要求自身重量小又不失強、剛度的大型飛機中得到很好的應用。 目前，薄壁類零件大多數(shù)使用的是數(shù)控機床銑削加工，而這類零件在加工時極易因為受到一定的切削力、夾緊力、熱等因素的影響而產(chǎn)生變形。如整體結(jié)構(gòu)件這類薄壁零件，其具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜、材料去除率高、薄壁部位多、協(xié)調(diào)精度要求高等特點，加工過程中會受到殘余應力、切削力、切削熱等因素的作用，導致加工后零件出現(xiàn)復雜的彎扭組合變形，使得零件很難達到原先的設計要求，甚至報廢如圖 1-1 所示。航空整體結(jié)構(gòu)件的加工變形問題己成為困擾航空工業(yè)的關鍵技術(shù)難點之一，即使是世界著名的飛機制造公司如波音、空客等在整體結(jié)構(gòu)件制造過程中也存在著這類技術(shù)難題。而到目前為止，引起整體結(jié)構(gòu)件加工變形的機理仍未被完全掌握，抑制變形或者消除變形的理論和實驗研究仍然有大量的基礎工作等待進行�？v觀導致薄壁件在加工中的變形因素，主要包括四個方面[1]：切削過程力熱耦合作用的影響、工件殘余應力的影響、加工中裝夾系統(tǒng)、工件材料力學特性與結(jié)構(gòu)特點的影響。本文以殘余應力為研究對象，探究減少殘余應力的策略及方法，為薄壁件加工變形研究提供技術(shù)參考。 殘余應力作為影響復雜薄壁零件形狀精度和尺寸穩(wěn)定性的關鍵因素，如何減少和控制殘余應力一直是國際先進制造理論與實踐急需攻克的主要難題之一。殘余應力對于薄壁件的使用壽命有著密切的聯(lián)系，在零件加工完成后短期及在后期使用過程中，可能會因為受到工件表面和亞表面殘余應力的影響而導致二次變形，使零件報廢，造成了成本的增加和材料的浪費。工件的殘余應力形成過程包括：初始殘余應力、后續(xù)切削力熱所導致的加工殘余應力。初始殘余應力的分布狀態(tài)形成包括毛坯成型過程、粗加工前的熱處理過程，無論是不均勻的溫度場還是內(nèi)部不均勻的材料組織，都會造成工件形成初始不均勻的殘余應力分布，并影響后續(xù)的工件殘余應力的重分布。另外工件加工殘余應力對工件的影響體現(xiàn)在加工完成后因為受到其自然釋放而導致二次變形。已有相關研究表明，該影響對于薄壁件來說是致命的，特別對薄壁件的一些關鍵特征和結(jié)構(gòu)。 
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1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
現(xiàn)代飛機機體使用的工程材料主要有：輕合金（鋁合金、鎂合金）、鈦合金、合金鋼以及復合材料（碳纖維增強塑料、纖維金屬板材等）。雖然復合材料和鈦合金在飛機機體上的使用比例有逐年增加的趨勢，但鋁合金具有密度小、強度高、抗應力腐蝕能力好等特點，在航空制造業(yè)中得到了廣泛的應用[3]，特別是在民用飛機上，表 1-1 列出了民用飛機使用各種結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量百分比[4]，表中數(shù)據(jù)顯示，鋁合金是飛機構(gòu)件的主要材料，所占百分比遠超其他材料，最高所占比例可達 81%�，F(xiàn)代鋁合金零部件的加工正趨于采用高速、高效加工技術(shù)。優(yōu)質(zhì)、高效、低耗一直是人們的努力方向和追求目標，高速切削技術(shù) (HSM:High-Speed Machining)以其特有的原理優(yōu)勢、巨大的潛在應用價值順應潮流應運而生，成為21 世紀先進制造技術(shù)的重要組成部分。它是當今世界機械制造業(yè)中一項迅速發(fā)展的高新技術(shù)。在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)達國家，高速切削作為一種新的切削加工理念，受到越來越多的工程技術(shù)人員的認可[5]。高速切削加工的吸引力之一就在于在提高生產(chǎn)效率的同時，可以實現(xiàn)高質(zhì)量加工，零件能夠獲得較好的已加工表面質(zhì)量。 國際上在高速切削理論研究方面雖取得了一些研究成果，但總體上落后于工業(yè)實踐，缺乏必要的工藝技術(shù)研究與實驗，因此開展鋁合金高速切削研究必將對我國航空工業(yè)的飛速發(fā)張起到非常積極的作用。 
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第二章  殘余應力仿真和測試方法研究

金屬銑削加工試驗及后續(xù)的殘余應力測試都是一項耗費、耗時、耗人工的復雜工程。隨著有限元仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機分析能力的提高，越來越多的有限元軟件用來分析金屬切削加工過程，切削力、熱、應力、應變等可以被精確的計算和分析出來。將有限元法與實驗法相結(jié)合，可以更加高效的完成課題相關研究。對于殘余應力的實驗測試，將選用 x 射線這一非破壞性方法。本章主要對本文所使用的有限元仿真技術(shù)及殘余應力的 x 射線測試方法進行介紹，為后續(xù)展開相關仿真和實驗研究做鋪墊。 

2.1  仿真研究的理論基礎和關鍵技術(shù)
本研究中采用的仿真分析軟件是 Third Wave Systems 公司生產(chǎn)的 AdvantEdge FEM 軟件，該軟件是切削加工專用軟件，可以方便的建立與實際加工情況更符合的仿真模型；可以很方便地進行多切削方案的比較來驗證及優(yōu)化切削參數(shù)；可以通過運用該軟件對刀具溫度及應力進行分析來預測刀具性能及刀具磨損，也可以用來分析切削過程工件的溫度變化以及切削參數(shù)的不同對工件表面殘余應力的影響。其主要軟件產(chǎn)品 AdvantEdge FEM 是基于材料物理性能的有限元仿真軟件，主要功能如下： 軟件材料庫中有 120 多種工件材料及 100 多種刀具材料;在金屬切削模擬過程中可以考慮工件初始應力、刀具的振動、刀具磨損、刀具表面涂層及冷卻液等；可以用來進行微觀及宏觀的金屬切削分析，模擬金屬切削中材料的性能、切削力、軸向力、徑向力、熱流、溫度、應變、應力、切屑形成、切屑斷裂、工件的彈塑性變形及殘余應力；詳細的銑削(含插銑)、車削、鉆孔、銼削等工藝分析；自動進行網(wǎng)格劃分，只需要定義關鍵參數(shù)及網(wǎng)格重劃系數(shù)；具有參數(shù)研究功能，可以進行切削速度、進給量、切削寬度、切削深度、刀具前角、刀具后角、切削刃圓弧半徑及變換刀具的參數(shù)研究來優(yōu)化金屬切削工藝；具有豐富的后處理功能，可以用曲線、云圖及動畫等方式顯示結(jié)果。 
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2.2 AdvantEdge-3D 銑削模型
金屬銑削加工是一個伴隨著高溫、高壓、高應變率的塑性變形過程，對加工表面的殘余應力及其分布有著重要影響。在現(xiàn)有的有限元分析軟件中，可用于分析金屬切削加工產(chǎn)生殘余應力的軟件有很多，如 ANSYS、ABAQUS、DEFORM、LS-DYNA 等。由于殘余應力分析計算時間比較長，且前處理比較復雜，如相關參數(shù)設置不合理，會導致后續(xù)迭代計算不收斂，造成時間的大量浪費。再加上構(gòu)建準確的銑刀結(jié)構(gòu)模型比較繁瑣，大部分學者使用上述軟件僅構(gòu)建二維切削模型。但是相比于實際銑削加工，二維模型刀具去除材料的方式與銑刀實際去除材料方式存在差異，如圖 2-2 為實際銑刀的走刀軌跡，可以看出銑刀每齒的切削厚度是由“薄—厚—薄”，是時刻變化的。而圖 2-3 為一般二維切削模型，其去除材料厚度是不變的，且模型過于簡化，此模型只能作為局部殘余應力分析，而不能代表整個銑削圓弧上的殘余應力分布情況。 
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第三章  銑削方式及刀軌疊加方式對殘余應力的影響 ........ 20 
3.1  銑削方式對殘余應力的影響研究........ 20 
3.2  走刀軌跡疊加方式對殘余應力的影響研究...... 29 
3.2.1  連續(xù)加工表面的仿真模型構(gòu)建......... 29 
3.2.2  不同走刀軌跡疊加方式的定義......... 31 
3.2.3  走刀軌跡方式對殘余應力的影響研究.... 32 
3.3  相關研究結(jié)論..... 35 
3.4  本章小結(jié)...... 36 
第四章  考慮效率及減小殘余應力的工藝參數(shù)優(yōu)化研究 .... 37 
4.1  銑削寬度和進給量的組合優(yōu)化規(guī)律.... 37 
4.2  銑削深度與進給量的組合優(yōu)化規(guī)律.... 43 
4.3  銑削寬度與銑削深度的組合優(yōu)化規(guī)律....... 48 
4.4  工藝參數(shù)優(yōu)化原則及對殘余應力的重要度分析..... 49 
4.5  本章小結(jié)...... 50 
第五章  銑削實驗及其對比分析研究 ........ 51 
5.1  毛坯熱處理工藝........ 51 
5.2  銑削方式實驗研究.... 52
5.2.1  實驗加工方案......... 52 
5.2.2  殘余應力測試結(jié)果分析....... 53 
5.3  走刀軌跡疊加方式實驗研究......... 56
5.3.1  實驗加工方案......... 56 
5.3.2  殘余應力測試結(jié)果分析....... 57 
5.4  本章小結(jié)...... 59 

第五章  銑削實驗及其對比分析研究

前兩章基于 AdvantEdge 構(gòu)建模型并進行相關內(nèi)容的研究，討論了不同銑削方式對殘余應力的影響；研究了高速銑削對殘余應力及加工效率的綜合效應；分析了不同走刀軌跡疊加方式對殘余應力的作用機制；提出了工藝參數(shù)優(yōu)化原則。本章主要以實驗為主，對以上章節(jié)提出的優(yōu)化方法及優(yōu)化原則進行實驗驗證，為實際加工應用提供有利依據(jù)。 

5.1  毛坯熱處理工藝 

由于毛坯在生產(chǎn)過程中，容易產(chǎn)生較大的殘余應力，，且分布不均勻，而在切削加工過程當中還會引入更大的殘余應力，兩者疊加共同影響零件的尺寸精度和形狀精度。若初始殘余應力得不到控制，很難在后續(xù)加工中通過改變加工參數(shù)來改善殘余應力。所以在毛坯加工前，需進行一定的熱處理工藝使得工件內(nèi)部晶粒組織均勻以改善工件初始殘余應力對后續(xù)加工造成的影響。 消除應力的方法有:自然時效、人工時效、振動時效、靜態(tài)過載時效、爆炸時效、循環(huán)加載時效等，都在一定程度上達到消除和均化的目的。本文采用人工時效處理，將毛坯送至圖 5-1 所示的加熱爐中加熱至 190℃，保溫 12 小時，然后隨爐冷卻，以改善工件內(nèi)部殘余應力分布情況。為查看熱處理前后零件表面殘余應力變化情況，在零件表面選取 6 個點進行殘余應力測試見圖 5-2，熱處理前后殘余應力測試結(jié)果如圖 5-3 所示。從圖中數(shù)據(jù)可以看出熱處理后殘余應力總體得到了改善。X 方向殘余應力極值降低了 25%，平均值降低了 39%；y  方向殘余應力極值降低了 19.5%，平均值降低了 27.6%，說明熱處理能有效改善工件內(nèi)部殘余應力。  

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總結(jié)

本文以減小和控制殘余應力為目的，以鋁合金為研究對象，將仿真與實驗相結(jié)合，探究減小殘余應力的銑削工藝優(yōu)化方法，主要研究成果如下：  
（1）分析了基于走刀軌跡的殘余應力分布規(guī)律。銑刀單個齒的走刀軌跡為圓弧形，切屑中間厚兩邊薄，當切屑厚度由厚變薄時，殘余應力由拉應力向壓應力轉(zhuǎn)變。即中間表現(xiàn)為拉應力，兩邊表現(xiàn)為壓應力。 
（2）提出了基于三維銑削模型的殘余應力獲取方式及分析計算方法。此外，為準確比較順銑與逆銑的區(qū)別，本文首次提出了選取純粹的順銑點和逆銑點進行對比，采用極差、極值、均值更全面的對不同工藝參數(shù)組合下殘余應力比較。 
（3）基于連續(xù)走刀模型，分析了不同銑削方式對殘余應力的影響。結(jié)果表明，在較低切削速度 150m/min 情況下，逆銑加工產(chǎn)生的殘余拉應力和極差均小于順銑，拉應力最大可降低 45%，極差最大可降低 43%。在較高切削速度678m/min 情況下，順銑與逆銑對殘余應力的影響差異不大。因此，在較低切削速度情況下優(yōu)先選擇逆銑，在較高切削速度情況下可任意選擇順銑或逆銑。 
（4）討論了銑削的高速效應。研究表明，切削速度提高，殘余應力層深度變淺。且與較低的切削速度相比，殘余應力的增長幅度遠小于材料去除率的提高倍數(shù)，如切削速度從 150m/min（轉(zhuǎn)速 4000 r/min）提高到 678m/min（轉(zhuǎn)速 18000 r/min）時（其它工藝參數(shù)不變），材料去除率增加 3.5 倍，而殘余拉應力值僅增加 0.48 倍。因此，采用較高的切削速度有利于實現(xiàn)加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的完美統(tǒng)一。 
（5）基于連續(xù)加工表面模型，提出了兩種刀具軌跡疊加方式：“逆銑疊加順銑”和“順銑疊加逆銑”，分析得出，前者能獲得較小殘余應力值。此外，將刀具軌跡疊加區(qū)殘余應力與未疊加時進行對比，分析得出前者殘余應力分布能獲得有效改善，拉應力值最大下降比例達 46%。其中“逆銑覆蓋順銑”的疊加方式下疊加區(qū)殘余應力優(yōu)化效果較明顯。 
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參考文獻(略)

本文編號：54989