航空框类整体结构件铣削加工变形的数值模拟与实验研究

论文摘要

整体结构件数控加工变形是航空制造业面临的最突出问题之一,多年来一直困扰航空工业。研究影响整体结构件加工变形的因素及减小或抑制零件加工变形的工艺方法,对航空整体结构件数控加工变形预测及控制具有重要的意义和价值。本文在阐述航空整体结构件国内外研究现状的基础上,通过理论分析、有限元计算及实验研究相结合的方法,从三维切削机理,薄壁件变形及整体结构件数值模拟关键技术入手,对航空整体结构件的铣削加工变形进行了深入的研究。深入研究了金属的三维切削加工机理,并采用三维斜角切削有限元模型对航空铝合金已加工表面残余应力的分布规律进行了模拟研究。另外采用更接近真实铣削过程的三维螺旋刃刀具有限元模型对航空铝合金7050-T7451铣削机理进行了数值模拟,研究了切削过程中的各种物理现象。并分析了切削力及切削温度的变化规律。在阐述航空薄壁件加工变形的相关理论基础上,深入研究了薄壁件切削加工模拟的若干关键技术,建立了适合薄壁件加工的三维螺旋刃刀具有限元模型及带悬壁板结构的薄壁工件有限元模型。利用该模型对航空铝合金7050-T7451进行了加工变形模拟,分析了切削过程中的切削力与让刀量的关系。为航空整体结构件局部变形（侧壁、腹板、筋条、缘条）的研究和控制建立了基础。针对航空框类结构件的结构及加工特点,建立了适合航空框类整体结构件铣削加工变形的有限元模型,并深入研究了所需的建模关键技术。关键技术主要包括框类整体结构件实际加工过程面向数值模拟过程的CAD模型简化研究、加工工艺向数值模拟的转化研究,毛坯初始残余应力场的构建,材料去除方法,切削层简化及切削载荷的获取与施加方法,数值模拟的接力计算方法。提出了采用对称铣削加工框类整体结构件的工艺方法与普通加工工艺方法进行铣削加工变形的模拟与实验对比分析。通过小尺寸框类整体结构件进行包括对称铣削加工工艺方法在内的四种不同工艺方法的铣削加工模拟及加工实验。对四个小尺寸框类整体结构件的数值模拟及加工实验的结果进行对比分析,验证了数值模拟建模技术的正确性。同时,通过对比,证明了对称铣削加工的工艺方法能有效的减小航空框类整体结构件铣削加工变形。将对称铣削的加工工艺应用于实际尺寸的大型航空框类整体结构件的铣削加工过程模拟,进行航空框类整体结构件加工变形的预测研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 本文使用的主要符号及其单位
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 航空整体结构件含义、特点与分类
• 1.3 航空整体结构件的制造现状
• 1.3.1 国内外航空整体结构件的制造现状
• 1.3.2 航空整体结构件的加工变形机理
• 1.3.3 高速切削技术在整体结构件加工中的应用
• 1.4 数值模拟技术在切削加工领域的应用
• 1.4.1 切削机理的数值模拟研究
• 1.4.2 整体结构件加工数值模拟技术
• 1.5 论文研究的目标、意义、内容和总体框架
• 1.5.1 论文研究的目标和意义
• 1.5.2 论文研究的内容
• 1.5.3 论文的总体框架
• 第二章 航空铝合金切削加工过程的三维数值模拟研究
• 2.1 引言
• 2.2 金属切削加工的三维机理
• 2.2.1 单刀刃的三维斜角切削
• 2.2.2 双刀刃的三维斜角切削
• 2.2.3 螺旋刃切削加工
• 2.3 切削加工模拟的关键技术
• 2.3.1 材料模型
• 2.3.2 切屑分离
• 2.3.3 摩擦模型
• 2.3.4 温度场有限元模型
• 2.3.5 切削加工的热力耦合过程
• 2.4 铝合金已加工表面残余应力研究
• 2.4.1 已加工表面残余应力产生的原因与分析
• 2.4.2 三维斜角切削有限元模型
• 2.4.3 已加工表面残余应力的模拟过程
• 2.4.4 已加工表面残余应力的模拟结果分析
• 2.5 铣削过程的三维数值模拟研究
• 2.6 本章小结
• 第三章 航空铝合金薄壁件加工变形的数值模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 薄壁件加工变形的影响因素
• 3.2.1 切削力对侧壁变形的影响及措施
• 3.2.2 残余应力对变形的影响及其对策
• 3.2.3 切削热对变形的影响及其对策
• 3.2.4 夹紧力对变形的影响及其对策
• 3.3 薄壁件让刀分析
• 3.3.1 薄壁件侧壁让刀变形分析
• 3.3.2 薄壁件腹板加工变形分析
• 3.4 薄壁件加工的数值模拟过程
• 3.4.1 刀具和工件的有限元模型
• 3.4.2 薄壁件几何尺寸及模拟参数
• 3.4.3 薄壁件数值模拟的结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 框类整体结构件铣削加工变形数值模拟的建模技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 航空框类整体结构件有限元模型建立的原则
• 4.3 航空框类整体结构件的结构特点
• 4.4 航空框类整体结构件简化方案
• 4.4.1 面向有限元仿真的框类整体结构件模型简化
• 4.4.2 面向有限元仿真的整体结构件加工工艺简化
• 4.5 小尺寸框类整体结构件的铣削加工的建模技术
• 4.5.1 铣削加工模拟材料去除的基本原理
• 4.5.2 零件初始残余应力场构建
• 4.5.3 铣削加工工艺路线向有限元仿真系统的转化
• 4.6 铣削载荷的获取与施加
• 4.6.1 铣削力、铣削温度获取
• 4.6.2 切削层向数值模拟网格单元的简化及载荷施加方法
• 4.7 加工数值模拟的接力计算原理及过程
• 4.8 本章小结
• 第五章 框类整体结构件铣削加工变形的数值模拟及实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 小尺寸框类整体结构件铣削加工模拟
• 5.2.1 框类整体结构件的模拟过程
• 5.2.2 框类整体结构件的有限元网格模型
• 5.2.3 数值模拟的结果分析
• 5.2.4 模拟结果及分析
• 5.2.5 铣削加工模拟的实验验证
• 5.3 大型航空框类整体结构件的铣削加工模拟
• 5.3.1 航空整体结构件的加工信息
• 5.3.2 实际尺寸航空整体结构件铣削加工模拟过程
• 5.3.3 整体加工变形分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表（撰写）的论文及参加的课题
• 致谢