航空鋁合金殘余應(yīng)力及切削加工變形問題研究

航空整體結(jié)構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、材料去除率高、薄壁部位多、剛性差等特點(diǎn)，在加工過后，*件通常會出現(xiàn)彎曲、扭曲或彎扭組合等變形，加工精度很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

航空鋁合金預(yù)拉伸板7050-T7451內(nèi)部殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，指出毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力主要在熱軋和固溶化淬火工藝過程中產(chǎn)生，采用預(yù)拉伸的方法進(jìn)行消減；基于裂紋柔度法測量鋁合金厚板內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，采用有限元法計(jì)算得到測試試樣的裂紋柔度函數(shù)，在分析應(yīng)力計(jì)算不確定度來源的基礎(chǔ)上，研究裂紋柔度法中插值函數(shù)及其階數(shù)的選擇對應(yīng)力計(jì)算結(jié)果不確定度的影響，基于應(yīng)力不確定度的*小化目標(biāo)，確定9階勒讓德多項(xiàng)式是擬合鋁合金預(yù)拉伸板內(nèi)部殘余應(yīng)力的一種理想的插值函數(shù)及其階數(shù)；計(jì)算得到45mm厚鋁合金預(yù)拉伸板7050-T7451內(nèi)部殘余應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)果表明板內(nèi)殘余應(yīng)力呈明顯的外壓內(nèi)拉的“M型曲線”分布，為分析與預(yù)測毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力引起的加工變形問題奠定基礎(chǔ)。

研究采用DEFORM-2D和DEFORM-3D有限元軟件，建立二維正交切削加工和三維斜角切削加工航空鋁合金仿真模型。采用Johnson-Cook模型描述材料的流動應(yīng)力行為，采用單元自適應(yīng)網(wǎng)格重劃技術(shù)與分離準(zhǔn)則相結(jié)合實(shí)現(xiàn)切屑與工件的分離，選用無量綱Cockcroft & Latham斷裂準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)材料的斷裂，摩擦模型的建立通過劃分粘結(jié)區(qū)和滑動區(qū)，分別應(yīng)用不同的摩擦系數(shù)來描述。設(shè)計(jì)正交切削力實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證有限元模型的正確性?；诜抡婺Ｐ皖A(yù)測熱—力耦合作用下工件、切屑中的非均勻應(yīng)變場、應(yīng)力場、溫度場以及切削力，分析后刀面磨損量、刃傾角、刀刃鈍圓半徑等刀具幾何參數(shù)對切削力和切削溫度場分布的影響。
    基于Doelle-Hauk法測量銑削加工航空鋁合金工件表面殘余應(yīng)力的狀態(tài)，結(jié)果表明：應(yīng)力主平面與試樣表面基本平行，銑削加工鋁合金表面殘余應(yīng)力近似處于二維平面應(yīng)力狀態(tài)；測試銑削加工航空鋁合金殘余應(yīng)力沿層深的分布規(guī)律，分析主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、后刀面磨損量對加工殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響，結(jié)果表明：銑削加工引入的殘余應(yīng)力沿層深的分布與后刀面磨損量密切相關(guān)，其次是主軸轉(zhuǎn)速，而每齒進(jìn)給量對殘余應(yīng)力的影響不大；建立三維雙刃斜角變切屑厚度有限元模型，采用JH測力儀獲得銑削過程中的動態(tài)切削力分布，采用紅外熱像儀測試得到銑削過程中切屑中的*高溫度，通過有限元分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合，獲得不同切削條件下的工件已加工表面溫度場的分布規(guī)律。基于熱一力耦合理論，對銑削加工殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行解釋。

建立航空鋁合金初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放與重分布引起加工變形的理論解析模型與有限元模型，基于有限元法分析材料切削去除過程中雙向毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放與重分布引起的矩形板工件加工變形規(guī)律，結(jié)果表明：毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放與重分布造成了工件整體上的彎曲變形；采用組合函數(shù)近似表達(dá)銑削加工引入的殘余應(yīng)力，解決了有限元模型中加工殘余應(yīng)力的自平衡問題。研究銑削加工引入的殘余應(yīng)力引起的加工變形規(guī)律，得出結(jié)論：加工引入的殘余拉伸或壓縮應(yīng)力造成了工件整體上的彎曲變形，加工殘余剪切應(yīng)力造成了工件整體上的扭轉(zhuǎn)變形，且扭轉(zhuǎn)變形量大于彎曲變形量；研究多框體*件隔框加工順序以及雙面結(jié)構(gòu)*件加工工藝對加工變形的影響，基于加工變形的*小化目標(biāo)，得到*優(yōu)的隔框加工順序方案及工藝路線方案。
    綜合考慮毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、裝夾效應(yīng)、銑削機(jī)械載荷、銑削熱載荷、加工引入的殘余應(yīng)力對加工變形的影響，建立多因素耦合作用下工件加工變形的預(yù)報(bào)模型；設(shè)計(jì)框類結(jié)構(gòu)件的高速銑削加工試驗(yàn)，采用三坐標(biāo)測量機(jī)測量工件的加工變形，通過有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證預(yù)報(bào)模型的正確性。多因素耦合變形預(yù)報(bào)模型的建立為進(jìn)一步研究加工變形的控制技術(shù)提供依據(jù)。

南京聚航通過對構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布狀況進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的控制或消除，降低和消除殘余應(yīng)力所帶來的負(fù)面影響。殘余應(yīng)力檢測及消除設(shè)備相關(guān)信息，歡迎撥打熱線電話進(jìn)行咨詢。