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精密薄壁回转体零件加工残余应力及变形的研究

刘海涛  
【摘要】: 随着航空航天技术的不断发展,为了提高航空元器件的精度稳定性、延长使用寿命、降低生产成本,对零件使用性能的要求越来越高。近年来,由于薄壁零件具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点,在航空航天、精密仪器等行业得到了广泛的应用。但是,由于薄壁零件结构的特殊性,其刚度较低,在加工过程中受切削力、切削热以及装夹等因素的作用很容易发生变形,加工后零件的初始残余应力和切削加工残余应力耦合产生新的残余应力分布,这些因素都将影响零件使用性能和精度的长期稳定性。因此,本文在分析国内外薄壁零件加工的基础之上,以提高航空航天薄壁零件的质量和使用性能为目的,通过理论分析、仿真模拟和科学试验等方法,对薄壁回转体零件加工变形和残余应力进行预测和控制。 本文通过对国内外残余应力和薄壁零件加工变形研究现状的分析,基于Johnson-Cook流动应力模型,建立了考虑前刀面、刃口半径和后刀面的三个区域影响的切削力的预测数学模型。该模型在切削过程中,引入了材料的应变和应变率,更符合切削过程大应变,高应变率的情况。给出了Oxley常数的数学公式,该公式引入了切削参数和刀具参数。通过所建立的切削力预测数学模型,研究了刀具参数和切削参数对切削力的影响规律,并进行了切削实验,验证了切削力预测数学模型的正确性。 根据已经建立的切削力公式,结合Jaeger提出的温度模型和滚动/滑动接触分析模型,建立了考虑剪切区,刃口半径和后刀面磨损的三个区域影响的切削加工残余应力的预测数学模型。通过所建立的切削加工残余应力的预测数学模型,研究了刀具参数和切削参数对切削加工残余应力的影响规律,并进行了切削实验,验证了残余应力预测数学模型的正确性。 根据弹塑性有限元理论,采用ABAQUS软件建立了切削加工三维有限元模型,对切削过程中的切削力、切削热和切削加工残余应力进行有限元模拟,研究了刀具参数和切削参数对切削力、切削热和切削加工残余应力的影响规律,同时还研究了不同加工工序对残余应力分布的影响。将有限元模拟得到的结果与预测数学模型和切削实验的结果进行比较,可以看出得到规律的一致性。 在已有切削力模型、温度模型和残余应力模型的基础上建立了基于初始残余应力、切削力和切削热的薄壁零件加工变形的预测数学模型,对薄壁回转体零件在加工过程中的加工变形进行预测,采用ABAQUS软件对薄壁回转体的热处理过程进行有限元模拟,获得零件的初始残余应力的分布,并进行了热处理实验,验证了有限元模拟的正确性。采用ABAQUS软件的“生死单元”方法模拟了薄壁回转体零件的加工变形,并与理论预测结果进行了比较,结果一致。同时,还模拟了两种不同装夹方式条件下零件的加工变形。 本文采用有限元模拟和通用旋转试验设计相结合的方法进行模拟试验规划,采用遗传算法对建立的切削加工残余应力最大值预测模型进行了参数辨识,给出了回归显著、表达简单、易于分析各切削参数对切削加工表面残余应力影响的预测模型。并以残余应力的最大值为约束条件,对切削参数进行了优化。利用预测模型分析各切削参数对表面残余应力的影响规律,与预测数学模型和切削实验得到的结论一致。


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