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航空整体结构件加工过程的数值仿真

作　者: 董辉跃
导　师: 柯映林
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 整体结构件有限元模型淬火预拉伸残余应力斜角切削双刃切削切屑成形动态切削载荷势力耦合接力计算加工变形装夹
分类号: V261
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

整体结构件的加工变形是困扰航空制造业的难题，许多变形大的整体结构件不得不增加校形工序。而校形工艺又比较“野蛮”化，时常有校裂报废现象，耽误了型号工程，经济损失巨大。本文在阐述整体结构件的国内外加工现状、产生变形原因的基础上，利用数值模拟分析、试验验证的手段研究了航空整体结构件加工过程中的各个阶段，包括毛坯的淬火、淬火残余应力的拉伸消除、切削过程机理和整体结构件的加工过程。材料去除导致毛坯中的残余应力重新分布是引起加工变形的重要因素。为了得到整体结构件毛坯的初始状态，采用准耦合法对航空铝合金7075进行了淬火模拟，研究了该过程中温度的变化和残余应力的分布规律。进而，在忽略切削载荷的假设条件下对含有淬火残余应力的毛坯进行材料去除模拟。试验证明，模拟产生的比例件的变形与实际加工的比例件的变形非常近似，从而证明了毛坯的初始残余应力是引起整体结构件加工变形的主要因素，同时验证了准耦合淬火法的有效性。通过淬火可以获得高强度、高韧性的铝合金，同时淬火后分布于毛坯中的残余应力幅值很大。为了消除毛坯的淬火残余应力，必须进行拉伸。所以在获得淬火毛坯的基础上，又进行了毛坯拉伸消除残余应力的数值模拟与分析。模拟分析的预拉伸量分别为1％、2％、3％。预拉伸量在3％时，毛坯产生2.1％-2.6％的永久变形，残余应力消除量约为86％。而且，由拉伸后的毛坯加工所得工件的最大变形量比拉伸前减小94.5％。预拉伸量2％和3％对残余应力的消除和变形的控制影响相差不大，所以7075铝合金毛坯的预拉伸量不超过3％，这完全符合航空铝合金生产工艺的规定。若要对整体结构件的加工过程进行模拟必须具备：①整体结构件毛坯；②加工过程施加的动态铣削载荷，包括铣削力和铣削热。所以在毛坯淬火和拉伸模拟获得整体结构件毛坯的基础上，本文通过对铣削过程建立有限元模型来研究切削机理，以获得动态切削载荷。目前铣削加工的有限元模型虽然很多，但绝大部分是平面直角(正交)切削加工，对斜角切削加工进行研究的很少，对双刃切削加工进行研究的就更少了。双刃切削加工是在斜角切削的基础上又增加了一个副切削刃，是更接近于实际工况的。所以本文在概括直角切削加工模拟技术的基础上，对双刃切削加工模拟作了深入的研究，对切削加工过程中的各个物理量，如切削温度、切削力、切屑的形成过程及刀具的温度分布等作了分析。所有分析表明，模拟结果是基本合理的，从而为切削加工的参数优化、刀具几何形状的设计提供了更简捷的途径，为建立切削加工优化参数数据库打下了基础，为整体结构件加工变形的控制提供了新浙江大学博士学位论文的手段。在获得了淬火拉伸状态的整体结构件毛坯以及切削加工过程中的动态载荷的基础上，运用接力计算对一整体结构件—前梁的比例件的加工过程进行了模拟。比例件加工变形的数值模拟结果与车间生产的工件的变形是相似的。所以改方法将是整体结构件加工过程数值仿真的基础。装夹对类似薄壁零件的整体结构件的加工变形也是具有影响的。为了揭示夹具对残余应力的影响，利用有限元技术模拟了工件加工过程中不同的装夹方案，结果表明，装夹位置对残余应力分布具有重要影响，而装夹顺序对残余应力的分布和幅值无较大影响。通过进一步对比分析各种装夹方案中残余应力引起的工件变形得出结论:夹具分布较平均的装夹方案可获得比较均布的残余应力和较小的变形。另外针对薄壁零件刚性差，制造过程中产生装夹变形严重的工艺难题，采用有限元分析方法，分别对装夹位置、装夹顺序以及加载方式三个因素在装夹过程中对其产生变形的影响进行了模拟。综合以上三个影响因素，根据有限元分析结果，在所有备选方案中获得了变形量最小的薄壁零件装夹方案，对提高该类零件的制造精度具有一定的指导作用。关键词:整体结构件;有限元模型;淬火;预拉伸;残余应力;斜角切削;双刃切削;切屑成形;动态切削载荷;热力祸合;接力计算;加工变形;装夹本论文研究得到了国家自然科学基金项目、国防军工项目、教育部博士点基金项目等国家重点课题的资助

航空整体结构件加工过程的数值仿真

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