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《大连理工大学》 2010年
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整体薄壁结构件残余应力预测与铣削加工变形研究

徐飞飞  
【摘要】: 航空整体薄壁结构件的加工变形问题是一直困扰航空制造业的技术难点之一,实现薄壁结构件加工变形的预测和控制具有重大的理论意义和工程应用价值。为此,本文以航空铝合金7075-T7为研究对象,围绕引起整体结构件加工变形的主要原因,采用有限元模拟、实验验证等手段研究了航空铝合金毛坯板材的淬火、残余应力的拉伸消除以及整体薄壁件的铣削加工过程。 首先,鉴于残余应力是引起加工变形的重要因素,本文为得到整体结构件的初始状态,运用准耦合方法对淬火过程中的温度场和应力场进行了模拟;预测了淬火冷却过程中毛坯件表层和心部温度的变化规律以及在冷却过程中所产生的极大的温度梯度;模拟了淬火过程中残余应力的变化趋势以及淬火后最终的三向残余应力分布情况;对模型中间截面淬火后残余应力以及弹性和塑形应变分布进行了分析,通过分析再次验证了淬火残余应力的产生原因。 其次,模拟了拉伸法消除淬火残余应力的整个过程,并分析了拉伸法对毛坯件残余应力以及塑性变形的影响。针对不同拉伸量情况下,对毛坯件残余应力、塑性应变分布进行了分析,得出在拉伸量为3%时,产生了2.4%的永久变形量,应力消除量达到89.5%。而通过对比应力以及塑性应变的分布,验证了拉伸法消除残余应力的机理。 再次,建立了初始残余应力释放和重分布引起工件变形的有限元模型。采用生死单元技术对工件进行分层材料去除模拟,分析了不同剥层深度下的工件变形量,同时分析和掌握了在材料去除过程中残余应力的释放和重分布规律。根据某飞机上的一个整体多框结构件简化而设计了相应的比例件有限元模型,分析了不同拉伸量下的残余应力释放所引起的该比例件模型的变形量。 最后,研究了采用有限元方法对铣削加工进行数值仿真所涉及的关键技术:毛坯初始应力加载、切削参数的合理描述、铣削力和铣削热载荷的加载以及动态走刀过程的实现等。分别对单因素作用下工件的加工变形规律进行了模拟。建立了多因素耦合作用下工件变形的预报模型,预测了两框结构件在多因素耦合作用下工件的整体加工变形,并通过加工工艺参数的优化,减小了工件变形量。最后在五轴数控加工中心上对相同尺寸参数的工件进行了加工实验,采用三坐标测量机测量了工件的加工变形情况,验证了预报模型的正确性。
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