复杂薄壁件铣削加工变形与残余应力控制研究

论文摘要

薄壁零件具有结构复杂、材料去除率高及刚性差等特点,在加工过后,零件通常会出现弯曲、扭曲等变形,加工精度极难达到设计要求,薄壁零件制造过程最突出的问题就是加工变形,本文以航天复杂薄壁小刚性关键件的加工变形为对象,围绕引起薄壁件变形的主要因素,包括毛坯初始残余应力的释放,铣削加工引入的残余应力对于变形的影响,切削参数对于铣削加工力的影响及工艺方案中涉及的走刀路径,装夹方案,加工顺序等入手,展开以下研究：首先,根据金属铣削机理建立了铣削加工有限元模型,采用Advantedge切削仿真有限元软件,切削模型采用二维和三维弹塑性有限元技术和Johnson-Cook本构模型,仿真分析不同的切削参数对于切削力及残余应力的影响,并且对仿真的结果进行实验验证。然后,建立航空铝合金初始残余应力及切削残余应力导致零件加工变形的有限元模型,分析毛坯初始应力对于薄壁件变形的影响,选择合适的毛坯的余量去除方式,以减小初始应力对于零件变形的影响。同时根据不同切深的残余应力对薄壁件变形的不同影响,对于切削加工中的切深进行变切深安排,以提高加工的效率和保证质量。再次,建立有限元模型分析薄壁件的加工顺序及走刀路径。采用残余应力仪测试工件表面铣削后的残余应力分布,按照不同的走刀路径编程导入至有限元软件当中,选取对于变形影响最小的走刀路径。建立不同的零件特征加工顺序的有限元模型,分析不同的零件挖槽过程中的残余应力对零件变形的影响,选取最优的切削加工顺序。。最后,综合考虑毛坯初始残余应力、切削残余应力、铣削力对于薄壁件变形的影响,并对于仿真优化方案进行实验验证,进而提出薄壁件的加工工艺,以提高薄壁件加工的精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 薄壁件加工变形成因分析
• 1.2.1 工件的材料力学特性与结构特点
• 1.2.2 加工过程中毛坯初始残余应力的释放
• 1.2.3 切削过程中刀具与工件间的热力耦合作用
• 1.2.4 工件的装夹
• 1.2.5 刀具下刀方式的影响
• 1.2.6 加工顺序的影响
• 1.3 铝合金毛坯切削加工变形和残余应力控制研究现状
• 1.3.1. 铝合金初始毛坯残余应力研究现状
• 1.3.2 切削加工残余应力的研究现状
• 1.3.3 切削加工变形的研究现状
• 1.3.4 高速加工技术
• 1.4 本章小结
• 1.5 本文研究内容
• 1.6 论文章节安排
• 第二章 航空铝合金切削及其变形仿真
• 2.1 金属切削变形基本理论
• 2.2 基于Third Wave AdvantEdge的切削模型的建立
• 2.2.1 AdvantEdge FEM软件介绍
• 2.2.2 金属切削本构方程的建立
• 2.3 二维正交切削加工仿真模型
• 2.4 二维正交仿真结果
• 2.4.1 切削力随着进给的变化情况
• 2.4.2 切削力随切深的变化情况
• 2.4.3 切削力随着刀具转速的变化情况
• 2.5 工艺参数对残余应力和变形影响的研究
• 2.5.1 切削残余应力仿真模型
• 2.5.2 切削的残余应力导致变形的有限元模型
• 2.5.3 切深对残余应力及变形的影响
• 2.5.4 进给对残余应力及变形的影响
• 2.5.5 转速对残余应力及变形的影响
• 2.6 变切深的工步参数设计
• 2.7 本章小结
• 第三章 考虑残余应力作用下的薄壁件加工变形与工艺优化研究
• 3.1 铝合金初始应力有限元模型
• 3.1.1 毛坯初始应力
• 3.1.2 毛坯初始应力对变形的影响
• 3.1.3 残余应力消除办法
• 3.2 毛坯余量去除方式的选择
• 3.3 考虑残余应力的加工顺序优化
• 3.3.1 不同的加工顺序对于薄壁件变形的影响
• 3.3.2 基于残余应力仿真分析不同加工顺序对于薄壁件刚度变化的曲线
• 3.4 走刀路径影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 加工工艺实验研究
• 4.1 切削力及表面粗糙度测试
• 4.1.1 切削实验平台的搭建
• 4.1.2 切削力实验测试数据
• 4.1.3 铣削表面质量测试
• 4.1.4 残余应力测试
• 4.2 工艺方法实验
• 4.2.1 走刀路径实验
• 4.2.2 刀具直径对于变形的影响实验
• 4.2.3 加工顺序对变形的影响实验
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 论文创新点
• 5.3 课题研究展望
• 参考论文
• 在学期间的研究成果及发表论文
• 致谢