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钛合金航空整体结构件铣削加工变形的预测理论及方法研究

杨勇  
【摘要】: 整体结构件的数控加工变形是航空制造业面对的最突出问题之一。钛合金材料具有优异的综合机械性能,在航空整体结构件中获得了大量的应用。但是由于钛合金切削加工中大的切削力、高的切削温度、小的弹性模量力学属性以及零件不均匀的初始应力分布,使钛合金整体结构件数控加工中的变形问题更加复杂,严重影响了钛合金航空整体结构件的生产效率和最终产品精度。本文在阐述航空整体结构件国内外加工研究现状、产生变形原因的基础上,采用实验研究、理论建模和有限元模拟分析相结合的方法,对钛合金航空整体结构件铣削加工变形的预测方法和加工变形规律进行了深入、系统的研究。 论文首先研究了钛合金铣削加工环境中的材料本构模型。根据正交切削理论建立了剪切区内应力、应变、应变率、温度以及二维切削力的数学模型,形成了以剪切区长度和厚度比值为迭代变量的建模技术路线。在动态压缩力学性能实验(SHPB实验)和直角铣削实验的基础上,通过对各变形参数的数学求解,建立了能够反映切削加工环境下大应变、高应变率和高温度特征的材料本构模型。 采用有限元模拟和实验两种手段研究了钛合金铣削加工中的切削力和切削温度。基于对实际加工特征的分析建立了螺旋双刃铣削加工有限元模型,研究了有限元模拟所必需的若干关键技术。利用该有限元模型分析了钛合金铣削加工中切削力和切削温度的周期变化规律,建立了切削力和切削温度曲线。同时在对切削力和切削温度实验详细设计和改进的基础上,测量了铣削过程切削力和切削温度曲线,分析了它们的数值及变化规律。有限元模拟和实验研究的一致性表明所建立的切削力和切削温度曲线是正确的。 基于热力学和弹塑性力学理论,采用准耦合分析方法模拟了退火热处理过程,建立了钛合金毛坯的三维残余应力场。采用剥层法和X射线衍射法相结合进行了钛合金毛坯残余应力测试,实验结果和模拟结果的一致性表明有限元模拟退火产生的残余应力是可信的。按照与实际零件几何尺寸和切割位置严格对应的原则,对模拟钛合金毛坯进行相应截取,获得了具有初始残余应力场的航空整体结构件数字化毛坯。 在建立材料本构模型、切削力和切削温度载荷以及毛坯初始残余应力场的基础上,通过分析航空整体结构件铣削加工特征,从转化刀具切削作用这一角度出发建立了钛合金航空整体结构件铣削加工的弹塑性热力耦合有限元模型。研究了铣削加工模拟所涉及的材料去除、切削载荷施加、铣削加工路径以及约束转换等关键技术,采用接力计算方法模拟了钛合金航空整体结构件铣削加工过程并对加工变形进行了预测。通过模拟分析毛坯初始残余应力、切削载荷及其耦合因素对航空整体结构件加工变形的影响规律,指出切削载荷是影响钛合金整体结构件加工变形的主要因素。 最后,通过与航空整体结构件铣削加工实验变形结果相比较,对本论文研究结论进行了验证,从而说明本论文研究的思路、方法是可行的,研究结果也是可靠的。


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