第一章  緒論 

1.1  研究背景及意義
隨著現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域的高速發(fā)展，各大企業(yè)對(duì)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(qiáng)度、質(zhì)量輕等特性，在航空航天領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，特別是在要求自身重量小又不失強(qiáng)、剛度的大型飛機(jī)中得到很好的應(yīng)用。 目前，薄壁類零件大多數(shù)使用的是數(shù)控機(jī)床銑削加工，而這類零件在加工時(shí)極易因?yàn)槭艿揭欢ǖ那邢髁�、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(fù)雜、材料去除率高、薄壁部位多、協(xié)調(diào)精度要求高等特點(diǎn)，加工過(guò)程中會(huì)受到殘余應(yīng)力、切削力、切削熱等因素的作用，導(dǎo)致加工后零件出現(xiàn)復(fù)雜的彎扭組合變形，使得零件很難達(dá)到原先的設(shè)計(jì)要求，甚至報(bào)廢如圖 1-1 所示。航空整體結(jié)構(gòu)件的加工變形問(wèn)題己成為困擾航空工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一，即使是世界著名的飛機(jī)制造公司如波音、空客等在整體結(jié)構(gòu)件制造過(guò)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(jī)理仍未被完全掌握，抑制變形或者消除變形的理論和實(shí)驗(yàn)研究仍然有大量的基礎(chǔ)工作等待進(jìn)行�？v觀導(dǎo)致薄壁件在加工中的變形因素，主要包括四個(gè)方面[1]：切削過(guò)程力熱耦合作用的影響、工件殘余應(yīng)力的影響、加工中裝夾系統(tǒng)、工件材料力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響。本文以殘余應(yīng)力為研究對(duì)象，探究減少殘余應(yīng)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(yīng)力作為影響復(fù)雜薄壁零件形狀精度和尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，如何減少和控制殘余應(yīng)力一直是國(guó)際先進(jìn)制造理論與實(shí)踐急需攻克的主要難題之一。殘余應(yīng)力對(duì)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(guò)程中，可能會(huì)因?yàn)槭艿焦ぜ砻婧蛠啽砻鏆堄鄳?yīng)力的影響而導(dǎo)致二次變形，使零件報(bào)廢，造成了成本的增加和材料的浪費(fèi)。工件的殘余應(yīng)力形成過(guò)程包括：初始?xì)堄鄳?yīng)力、后續(xù)切削力熱所導(dǎo)致的加工殘余應(yīng)力。初始?xì)堄鄳?yīng)力的分布狀態(tài)形成包括毛坯成型過(guò)程、粗加工前的熱處理過(guò)程，無(wú)論是不均勻的溫度場(chǎng)還是內(nèi)部不均勻的材料組織，都會(huì)造成工件形成初始不均勻的殘余應(yīng)力分布，并影響后續(xù)的工件殘余應(yīng)力的重分布。另外工件加工殘余應(yīng)力對(duì)工件的影響體現(xiàn)在加工完成后因?yàn)槭艿狡渥匀会尫哦鴮?dǎo)致二次變形。已有相關(guān)研究表明，該影響對(duì)于薄壁件來(lái)說(shuō)是致命的，特別對(duì)薄壁件的一些關(guān)鍵特征和結(jié)構(gòu)。 
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1.2  國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)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(fù)合材料（碳纖維增強(qiáng)塑料、纖維金屬板材等）。雖然復(fù)合材料和鈦合金在飛機(jī)機(jī)體上的使用比例有逐年增加的趨勢(shì)，但鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、抗應(yīng)力腐蝕能力好等特點(diǎn)，在航空制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[3]，特別是在民用飛機(jī)上，表 1-1 列出了民用飛機(jī)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(jī)構(gòu)件的主要材料，所占百分比遠(yuǎn)超其他材料，最高所占比例可達(dá) 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(biāo)，高速切削技術(shù) (HSM:High-Speed Machining)以其特有的原理優(yōu)勢(shì)、巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值順應(yīng)潮流應(yīng)運(yùn)而生，成為21 世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。它是當(dāng)今世界機(jī)械制造業(yè)中一項(xiàng)迅速發(fā)展的高新技術(shù)。在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，高速切削作為一種新的切削加工理念，受到越來(lái)越多的工程技術(shù)人員的認(rèn)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(shí)，可以實(shí)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(guó)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(shí)踐，缺乏必要的工藝技術(shù)研究與實(shí)驗(yàn)，因此開(kāi)展鋁合金高速切削研究必將對(duì)我國(guó)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(yīng)力仿真和測(cè)試方法研究

金屬銑削加工試驗(yàn)及后續(xù)的殘余應(yīng)力測(cè)試都是一項(xiàng)耗費(fèi)、耗時(shí)、耗人工的復(fù)雜工程。隨著有限元仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)分析能力的提高，越來(lái)越多的有限元軟件用來(lái)分析金屬切削加工過(guò)程，切削力、熱、應(yīng)力、應(yīng)變等可以被精確的計(jì)算和分析出來(lái)。將有限元法與實(shí)驗(yàn)法相結(jié)合，可以更加高效的完成課題相關(guān)研究。對(duì)于殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將選用 x 射線這一非破壞性方法。本章主要對(duì)本文所使用的有限元仿真技術(shù)及殘余應(yīng)力的 x 射線測(cè)試方法進(jìn)行介紹，為后續(xù)展開(kāi)相關(guān)仿真和實(shí)驗(yàn)研究做鋪墊。 

2.1  仿真研究的理論基礎(chǔ)和關(guān)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(shí)際加工情況更符合的仿真模型；可以很方便地進(jìn)行多切削方案的比較來(lái)驗(yàn)證及優(yōu)化切削參數(shù)；可以通過(guò)運(yùn)用該軟件對(duì)刀具溫度及應(yīng)力進(jìn)行分析來(lái)預(yù)測(cè)刀具性能及刀具磨損，也可以用來(lái)分析切削過(guò)程工件的溫度變化以及切削參數(shù)的不同對(duì)工件表面殘余應(yīng)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(kù)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(guò)程中可以考慮工件初始應(yīng)力、刀具的振動(dòng)、刀具磨損、刀具表面涂層及冷卻液等；可以用來(lái)進(jìn)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(yīng)變、應(yīng)力、切屑形成、切屑斷裂、工件的彈塑性變形及殘余應(yīng)力；詳細(xì)的銑削(含插銑)、車削、鉆孔、銼削等工藝分析；自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，只需要定義關(guān)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(jìn)行切削速度、進(jìn)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(lái)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(dòng)畫(huà)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(gè)伴隨著高溫、高壓、高應(yīng)變率的塑性變形過(guò)程，對(duì)加工表面的殘余應(yīng)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(yīng)力的軟件有很多，如 ANSYS、ABAQUS、DEFORM、LS-DYNA 等。由于殘余應(yīng)力分析計(jì)算時(shí)間比較長(zhǎng)，且前處理比較復(fù)雜，如相關(guān)參數(shù)設(shè)置不合理，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)迭代計(jì)算不收斂，造成時(shí)間的大量浪費(fèi)。再加上構(gòu)建準(zhǔn)確的銑刀結(jié)構(gòu)模型比較繁瑣，大部分學(xué)者使用上述軟件僅構(gòu)建二維切削模型。但是相比于實(shí)際銑削加工，二維模型刀具去除材料的方式與銑刀實(shí)際去除材料方式存在差異，如圖 2-2 為實(shí)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(shí)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(guò)于簡(jiǎn)化，此模型只能作為局部殘余應(yīng)力分析，而不能代表整個(gè)銑削圓弧上的殘余應(yīng)力分布情況。 
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第三章  銑削方式及刀軌疊加方式對(duì)殘余應(yīng)力的影響 ........ 20 
3.1  銑削方式對(duì)殘余應(yīng)力的影響研究........ 20 
3.2  走刀軌跡疊加方式對(duì)殘余應(yīng)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(duì)殘余應(yīng)力的影響研究.... 32 
3.3  相關(guān)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(yīng)力的工藝參數(shù)優(yōu)化研究 .... 37 
4.1  銑削寬度和進(jìn)給量的組合優(yōu)化規(guī)律.... 37 
4.2  銑削深度與進(jìn)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(duì)殘余應(yīng)力的重要度分析..... 49 
4.5  本章小結(jié)...... 50 
第五章  銑削實(shí)驗(yàn)及其對(duì)比分析研究 ........ 51 
5.1  毛坯熱處理工藝........ 51 
5.2  銑削方式實(shí)驗(yàn)研究.... 52
5.2.1  實(shí)驗(yàn)加工方案......... 52 
5.2.2  殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析....... 53 
5.3  走刀軌跡疊加方式實(shí)驗(yàn)研究......... 56
5.3.1  實(shí)驗(yàn)加工方案......... 56 
5.3.2  殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析....... 57 
5.4  本章小結(jié)...... 59 

第五章  銑削實(shí)驗(yàn)及其對(duì)比分析研究

前兩章基于 AdvantEdge 構(gòu)建模型并進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的研究，討論了不同銑削方式對(duì)殘余應(yīng)力的影響；研究了高速銑削對(duì)殘余應(yīng)力及加工效率的綜合效應(yīng)；分析了不同走刀軌跡疊加方式對(duì)殘余應(yīng)力的作用機(jī)制；提出了工藝參數(shù)優(yōu)化原則。本章主要以實(shí)驗(yàn)為主，對(duì)以上章節(jié)提出的優(yōu)化方法及優(yōu)化原則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為實(shí)際加工應(yīng)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(guò)程中，容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，，且分布不均勻，而在切削加工過(guò)程當(dāng)中還會(huì)引入更大的殘余應(yīng)力，兩者疊加共同影響零件的尺寸精度和形狀精度。若初始?xì)堄鄳?yīng)力得不到控制，很難在后續(xù)加工中通過(guò)改變加工參數(shù)來(lái)改善殘余應(yīng)力。所以在毛坯加工前，需進(jìn)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?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)后續(xù)加工造成的影響。 消除應(yīng)力的方法有:自然時(shí)效、人工時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、靜態(tài)過(guò)載時(shí)效、爆炸時(shí)效、循環(huán)加載時(shí)效等，都在一定程度上達(dá)到消除和均化的目的。本文采用人工時(shí)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(shí)，然后隨爐冷卻，以改善工件內(nèi)部殘余應(yīng)力分布情況。為查看熱處理前后零件表面殘余應(yīng)力變化情況，在零件表面選取 6 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試見(jiàn)圖 5-2，熱處理前后殘余應(yīng)力測(cè)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(yīng)力總體得到了改善。X 方向殘余應(yīng)力極值降低了 25%，平均值降低了 39%；y  方向殘余應(yīng)力極值降低了 19.5%，平均值降低了 27.6%，說(shuō)明熱處理能有效改善工件內(nèi)部殘余應(yīng)力。  

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總結(jié)

本文以減小和控制殘余應(yīng)力為目的，以鋁合金為研究對(duì)象，將仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，探究減小殘余應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律。銑刀單個(gè)齒的走刀軌跡為圓弧形，切屑中間厚兩邊薄，當(dāng)切屑厚度由厚變薄時(shí)，殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變。即中間表現(xiàn)為拉應(yīng)力，兩邊表現(xiàn)為壓應(yīng)力。 
（2）提出了基于三維銑削模型的殘余應(yīng)力獲取方式及分析計(jì)算方法。此外，為準(zhǔn)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(diǎn)和逆銑點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，采用極差、極值、均值更全面的對(duì)不同工藝參數(shù)組合下殘余應(yīng)力比較。 
（3）基于連續(xù)走刀模型，分析了不同銑削方式對(duì)殘余應(yīng)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(yīng)力和極差均小于順銑，拉應(yīng)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(duì)殘余應(yīng)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(yīng)。研究表明，切削速度提高，殘余應(yīng)力層深度變淺。且與較低的切削速度相比，殘余應(yīng)力的增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)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(shí)（其它工藝參數(shù)不變），材料去除率增加 3.5 倍，而殘余拉應(yīng)力值僅增加 0.48 倍。因此，采用較高的切削速度有利于實(shí)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(yīng)力值。此外，將刀具軌跡疊加區(qū)殘余應(yīng)力與未疊加時(shí)進(jìn)行對(duì)比，分析得出前者殘余應(yīng)力分布能獲得有效改善，拉應(yīng)力值最大下降比例達(dá) 46%。其中“逆銑覆蓋順銑”的疊加方式下疊加區(qū)殘余應(yīng)力優(yōu)化效果較明顯。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：54989