飞机弱刚性铝合金结构件的残余应力和加工变形控制技术研究

发布时间：2016-12-09 15:14

第一章 绪论

当前加工变形问题的研究目标是建立理论模型，分析输入参数(影响变形的因素)对输出结果(变形)的影响，旨在降低加工变形量，保证零件设计尺寸精度。已有研究结果表明[5,6]：加工变形问题的建模涉及了材料学、力学和机械制造等多学科，加工过程是瞬时的高温高压、高应变率、塑性变形的多场耦合过程，受到切削力、切削热、装夹系统、工艺参数、工况、材料初始残余应力和加工残余应力等多种因素的影响，目前仍是航空航天制造业亟待解决的难题。变形控制技术涉及国防工业关键技术，国外研究成果一般都是内部使用且对外界保密和封锁。随着全球产业竞争的日趋加剧，大飞机产业成为世界各国重点发展的战略性产业和着力抢占的“制高点”，理论和实践都已表明，大飞机产业对国民经济具有明显的拉动作用，对于推动产业结构升级，促进区域经济增长亦具有重要意义。中国大飞机科技重大专项的研制必须解决整体结构件的加工变形问题。本课题正是在这一背景下开展飞机铝合金弱刚性结构件的残余应力和加工变形问题研究。课题受到国家自然科学基金(No.51405226)、国家科技重大专项(No.2012ZX04003021)和国防技术基础科研项目(No.C1520120002, J1520130001)的资助。

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第二章 残余应力场的测量与建模技术研究

2.1 试样尺寸设计的力学基础

通常情况下航空航天整体结构件毛坯尺寸大，试验研究需要截取试样。试样的尺寸设计首先必须满足试样的应力状态与母材的应力状态相同(或者接近)。理论上，残余应力在物体的任意截面法向上是自平衡力系。在截取试样后造成的新的边界面上，为满足自由边界条件，该截面法向的正应力与切应力都要为零。根据弹性理论中的圣维南原理(Saint Venant’s Principle)[90-92]: 如作用在弹性体表面上某一不大的局部面积上的力系，为作用在同一局部面积上的另一静力等效力系所代理，则载荷的这种重新分布，只在离载荷作用很近的地方，才使应力的分布发生显著的变化，在离载荷较远处只有很小的影响。另一种表述为：改变载荷的分布，就等于叠加一个主矢为零、主矩也为零的力系。可以期望，这样一个力系，如果作用在物体表面的微小部分上，只会引起局部性的应力和应变。该原理已经有大量实例验证，符合种种不同情况下的普遍经验，不限于服从胡克定律的弹性材料的小形变。研究表明，影响区域的大小，大致与等效力系作用区域相当[92,93]。本节采用数值仿真进行取样尺寸的试验研究。设长为 l，厚为 h 的试样内部存在长度方(x)的残余应力x=6y2-6y+1(勒让德二阶多项式，满足力与力矩平衡)，如图 2.1(a)所示。当试样沿某一截面截断后，切割面的应力将部分释放并重新分布，该过程如图 2.1(b)-(c)所示。进行试验测量时，为保证取样和母材所含有的残余应力相同，即(a)与(c)中心部分的应力应该一致，试样取样长度应该满足特定的条件。根据圣维南原理，影响区域应该与厚度 h 相当。

2.2 典型特征结构的残余应力场测量与建模修正

进行结构件加工变形问题研究时，需要以残余应力数据为基础分析加工工艺，残余应力场的测量与建模是所有工作的基础。工程应用需要综合考虑精度、使用成本与可行性。由第一章的研究可知，目前试验测量只能获取部分残余应力数据，完整应力场的建模只能依靠数值仿真技术。但是数值仿真是在特定条件下的理论假设，理论预测与试验测量存在一定的误差，使用时必须进行必要的模型修正。基于残余应力测试技术的特点与应用现状，本文提出了基于典型结构特征的残余应力场测试与建模技术，针对不同结构特点的材料，进行合理假设，由简单向复杂过度，如图 2.3 所示。采用合适的应力测试技术并结合数值仿真技术，建立完整的材料残余应力场，为后续的加工变形分析与逆向结构设计提供数据支持。

第三章 残余应力导致的加工变形机理研究.............50

3.1 理想弹性假设......................50
3.2 能量理论..........50
3.3 初始残余应力与加工变形.............52
3.4 加工残余应力与加工变形............59
3.5 阶段刚度与极限判据.........................65
3.6 能量理论的机翼壁板加工变形分析 ..................66
第四章 基于残余应力的加工变形控制技术研究.......72
4.1 理论基础.........................72
4.2 T 型缩比件的变形控制研究 ..............76
4.3 T 型结构件的变形控制研究 .................83
第五章 典型弱刚性结构件的加工变形试验研究................92
5.1 引言..............92
5.2 薄壁件加工工艺分析.............93
5.3 单因素试验与分析..............94
5.4 零件加工验证.................104
5.5 本章小结.............105

第五章 典型弱刚性结构件的加工变形试验研究

5.1 引言

基于本文第二、三章的基础研究，研究了材料残余应力场的测试与建模技术，提出了应力场的模型修正方法，揭示了两类残余应力造成加工变形的机理。结合以上基础研究，本文第四章对于特定的铝合金弱刚性零件提出了优化余量分配的加工变形控制方法，并进行了系统的试验验证。本章将以航空航天中常见的弱刚性薄壁件为研究对象，结合加工工艺，综合考虑初始残余应力、加工残余应力、铣削力、工艺设计等因素，开展以控制零件加工精度为优化目标的相关探讨和研究，为薄壁件的加工提供理论基础和技术支撑。本章研究对象为某型号支架零件，几何尺寸及公差要求如图 5.1 所示，三维视图如图 5.2所示。零件材料为锻造铝合金 2A14，技术要求为：表面阳极处理与稳定化处理。精度要求为仪器安装面平面度≤0.04，底面平面度 0.06；仪器安装面与底面垂直度≤0.15。

5.2 薄壁件加工工艺分析

支架的加工工艺流程如图 5.3 所示，具体包括：1：下料。2：刨：刨六方 25025096 mm3。3：车：车零件中心孔到210mm。4：铣：粗铣零件外形及内腔，单边留 3mm 余量。5：时效处理：热处理去应力。6：铣：粗铣零件外形及内腔，单边留 2mm 余量。7：时效处理：热处理去应力。8：铣：半精铣零件外形及内腔，单边留 0.5mm 余量。9：热处理：稳定化处理。10：铣：精铣零件外形及内腔。11：表：表面处理，入库。该零件的加工精度要求极高，平面度要求为 0.04-0.06。结合工艺流程和零件结构，，加工变形的研究对象主要有以下几个方面：由工艺流程可知，粗加工阶段(中心孔的车削、铣削至单边 3mm)材料去除率率高，变形主要受材料初始残余应力的影响。因此合理选择零件材料是值得注意的问题。半精/精加工阶段结构刚性减弱，材料去除量很小(max=3mm)，变形受到加工残余应力的影响，选取合适的加工参数降低影响加工应力是工艺设计的主要目标。半精/精加工阶段，由于结构的弱刚性，装夹力容易使零件发生变形。需要根据结构特

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第六章 总结与展望

本文以残余应力为切入点，系统分析了残余应力场的建模及修正技术、残余应力导致加工变形的机理以及典型弱刚性结构件的实例研究，主要研究内容及结论总结如下：(1) 基于实验力学和弹性力学，系统分析薄板、梁类、回转体和三维块体的残余应力，针对不同几何特征的毛坯材料，提出了对应的残余应力测试、建模与修正技术。薄板结构的应力场等效于平面应力状态；梁结构的应力场近似等效平面应变状态，工程应用可进一步等效为单向应力状态；板和梁结构的应力测量和建模本质上是平面问题。回转体和三维块体的应力场为三维问题，测试与建模需要结合试验和数值仿真技术才能获得完整精确的应力场。(2) 分析了材料初始残余应力、加工残余应力对结构变形的影响，以能量理论为基础建立了加工变形的机理。加工变形是残余应力、零件外形和去除方式的函数。残余应力是变形的本质原因，零件外形和去除方式是决定变形的边界条件。材料初始残余应力是材料热工艺残余能量的一种呈现方式，伴随着材料去除以变形的方式保证系统势能最小。加工变形可以通过优化材料去除方式得以改善。加工残余应力是已加工表面的残余能量，是金属切削加工不可避免的能量输入，能量密度高但总量小，只对弱刚性的结构有影响。两类残余应力对变形的影响对应零件加工的不同阶段：粗加工阶段材料去除量大，加工变形主要由初始残余应力导致。半精、精加工阶段零件刚性弱，加工变形需要考虑加工残余应力。

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参考文献（略）

本文编号：208609