铣削工艺参数优化及残余应力控制研究

发布时间：2016-06-08 22:21

第一章  绪论 

1.1  研究背景及意义
随着现代航空航天领域的高速发展，各大企业对零件的质量要求日益增高，特别薄壁类零件，因其高承载能力、高强度、质量轻等特性，在航空航天领域中得到广泛应用，特别是在要求自身重量小又不失强、刚度的大型飞机中得到很好的应用。 目前，薄壁类零件大多数使用的是数控机床铣削加工，而这类零件在加工时极易因为受到一定的切削力、夹紧力、热等因素的影响而产生变形。如整体结构件这类薄壁零件，其具有尺寸大、结构复杂、材料去除率高、薄壁部位多、协调精度要求高等特点，加工过程中会受到残余应力、切削力、切削热等因素的作用，导致加工后零件出现复杂的弯扭组合变形，使得零件很难达到原先的设计要求，甚至报废如图 1-1 所示。航空整体结构件的加工变形问题己成为困扰航空工业的关键技术难点之一，即使是世界著名的飞机制造公司如波音、空客等在整体结构件制造过程中也存在着这类技术难题。而到目前为止，引起整体结构件加工变形的机理仍未被完全掌握，抑制变形或者消除变形的理论和实验研究仍然有大量的基础工作等待进行。纵观导致薄壁件在加工中的变形因素，主要包括四个方面[1]：切削过程力热耦合作用的影响、工件残余应力的影响、加工中装夹系统、工件材料力学特性与结构特点的影响。本文以残余应力为研究对象，探究减少残余应力的策略及方法，为薄壁件加工变形研究提供技术参考。 残余应力作为影响复杂薄壁零件形状精度和尺寸稳定性的关键因素，如何减少和控制残余应力一直是国际先进制造理论与实践急需攻克的主要难题之一。残余应力对于薄壁件的使用寿命有着密切的联系，在零件加工完成后短期及在后期使用过程中，可能会因为受到工件表面和亚表面残余应力的影响而导致二次变形，使零件报废，造成了成本的增加和材料的浪费。工件的残余应力形成过程包括：初始残余应力、后续切削力热所导致的加工残余应力。初始残余应力的分布状态形成包括毛坯成型过程、粗加工前的热处理过程，无论是不均匀的温度场还是内部不均匀的材料组织，都会造成工件形成初始不均匀的残余应力分布，并影响后续的工件残余应力的重分布。另外工件加工残余应力对工件的影响体现在加工完成后因为受到其自然释放而导致二次变形。已有相关研究表明，该影响对于薄壁件来说是致命的，特别对薄壁件的一些关键特征和结构。 
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1.2  国内外研究现状
现代飞机机体使用的工程材料主要有：轻合金（铝合金、镁合金）、钛合金、合金钢以及复合材料（碳纤维增强塑料、纤维金属板材等）。虽然复合材料和钛合金在飞机机体上的使用比例有逐年增加的趋势，但铝合金具有密度小、强度高、抗应力腐蚀能力好等特点，在航空制造业中得到了广泛的应用[3]，特别是在民用飞机上，表 1-1 列出了民用飞机使用各种结构材料的质量百分比[4]，表中数据显示，铝合金是飞机构件的主要材料，所占百分比远超其他材料，最高所占比例可达 81%。现代铝合金零部件的加工正趋于采用高速、高效加工技术。优质、高效、低耗一直是人们的努力方向和追求目标，高速切削技术 (HSM:High-Speed Machining)以其特有的原理优势、巨大的潜在应用价值顺应潮流应运而生，成为21 世纪先进制造技术的重要组成部分。它是当今世界机械制造业中一项迅速发展的高新技术。在现代工业发达国家，高速切削作为一种新的切削加工理念，受到越来越多的工程技术人员的认可[5]。高速切削加工的吸引力之一就在于在提高生产效率的同时，可以实现高质量加工，零件能够获得较好的已加工表面质量。 国际上在高速切削理论研究方面虽取得了一些研究成果，但总体上落后于工业实践，缺乏必要的工艺技术研究与实验，因此开展铝合金高速切削研究必将对我国航空工业的飞速发张起到非常积极的作用。 
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第二章  残余应力仿真和测试方法研究

金属铣削加工试验及后续的残余应力测试都是一项耗费、耗时、耗人工的复杂工程。随着有限元仿真技术的不断发展，计算机分析能力的提高，越来越多的有限元软件用来分析金属切削加工过程，切削力、热、应力、应变等可以被精确的计算和分析出来。将有限元法与实验法相结合，可以更加高效的完成课题相关研究。对于残余应力的实验测试，将选用 x 射线这一非破坏性方法。本章主要对本文所使用的有限元仿真技术及残余应力的 x 射线测试方法进行介绍，为后续展开相关仿真和实验研究做铺垫。 

2.1  仿真研究的理论基础和关键技术
本研究中采用的仿真分析软件是 Third Wave Systems 公司生产的 AdvantEdge FEM 软件，该软件是切削加工专用软件，可以方便的建立与实际加工情况更符合的仿真模型；可以很方便地进行多切削方案的比较来验证及优化切削参数；可以通过运用该软件对刀具温度及应力进行分析来预测刀具性能及刀具磨损，也可以用来分析切削过程工件的温度变化以及切削参数的不同对工件表面残余应力的影响。其主要软件产品 AdvantEdge FEM 是基于材料物理性能的有限元仿真软件，主要功能如下： 软件材料库中有 120 多种工件材料及 100 多种刀具材料;在金属切削模拟过程中可以考虑工件初始应力、刀具的振动、刀具磨损、刀具表面涂层及冷却液等；可以用来进行微观及宏观的金属切削分析，模拟金属切削中材料的性能、切削力、轴向力、径向力、热流、温度、应变、应力、切屑形成、切屑断裂、工件的弹塑性变形及残余应力；详细的铣削(含插铣)、车削、钻孔、锉削等工艺分析；自动进行网格划分，只需要定义关键参数及网格重划系数；具有参数研究功能，可以进行切削速度、进给量、切削宽度、切削深度、刀具前角、刀具后角、切削刃圆弧半径及变换刀具的参数研究来优化金属切削工艺；具有丰富的后处理功能，可以用曲线、云图及动画等方式显示结果。 
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2.2 AdvantEdge-3D 铣削模型
金属铣削加工是一个伴随着高温、高压、高应变率的塑性变形过程，对加工表面的残余应力及其分布有着重要影响。在现有的有限元分析软件中，可用于分析金属切削加工产生残余应力的软件有很多，如 ANSYS、ABAQUS、DEFORM、LS-DYNA 等。由于残余应力分析计算时间比较长，且前处理比较复杂，如相关参数设置不合理，会导致后续迭代计算不收敛，造成时间的大量浪费。再加上构建准确的铣刀结构模型比较繁琐，大部分学者使用上述软件仅构建二维切削模型。但是相比于实际铣削加工，二维模型刀具去除材料的方式与铣刀实际去除材料方式存在差异，如图 2-2 为实际铣刀的走刀轨迹，可以看出铣刀每齿的切削厚度是由“薄—厚—薄”，是时刻变化的。而图 2-3 为一般二维切削模型，其去除材料厚度是不变的，且模型过于简化，此模型只能作为局部残余应力分析，而不能代表整个铣削圆弧上的残余应力分布情况。 
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第三章  铣削方式及刀轨叠加方式对残余应力的影响 ........ 20 
3.1  铣削方式对残余应力的影响研究........ 20 
3.2  走刀轨迹叠加方式对残余应力的影响研究...... 29 
3.2.1  连续加工表面的仿真模型构建......... 29 
3.2.2  不同走刀轨迹叠加方式的定义......... 31 
3.2.3  走刀轨迹方式对残余应力的影响研究.... 32 
3.3  相关研究结论..... 35 
3.4  本章小结...... 36 
第四章  考虑效率及减小残余应力的工艺参数优化研究 .... 37 
4.1  铣削宽度和进给量的组合优化规律.... 37 
4.2  铣削深度与进给量的组合优化规律.... 43 
4.3  铣削宽度与铣削深度的组合优化规律....... 48 
4.4  工艺参数优化原则及对残余应力的重要度分析..... 49 
4.5  本章小结...... 50 
第五章  铣削实验及其对比分析研究 ........ 51 
5.1  毛坯热处理工艺........ 51 
5.2  铣削方式实验研究.... 52
5.2.1  实验加工方案......... 52 
5.2.2  残余应力测试结果分析....... 53 
5.3  走刀轨迹叠加方式实验研究......... 56
5.3.1  实验加工方案......... 56 
5.3.2  残余应力测试结果分析....... 57 
5.4  本章小结...... 59 

第五章  铣削实验及其对比分析研究

前两章基于 AdvantEdge 构建模型并进行相关内容的研究，讨论了不同铣削方式对残余应力的影响；研究了高速铣削对残余应力及加工效率的综合效应；分析了不同走刀轨迹叠加方式对残余应力的作用机制；提出了工艺参数优化原则。本章主要以实验为主，对以上章节提出的优化方法及优化原则进行实验验证，为实际加工应用提供有利依据。 

5.1  毛坯热处理工艺 

由于毛坯在生产过程中，容易产生较大的残余应力，，且分布不均匀，而在切削加工过程当中还会引入更大的残余应力，两者叠加共同影响零件的尺寸精度和形状精度。若初始残余应力得不到控制，很难在后续加工中通过改变加工参数来改善残余应力。所以在毛坯加工前，需进行一定的热处理工艺使得工件内部晶粒组织均匀以改善工件初始残余应力对后续加工造成的影响。 消除应力的方法有:自然时效、人工时效、振动时效、静态过载时效、爆炸时效、循环加载时效等，都在一定程度上达到消除和均化的目的。本文采用人工时效处理，将毛坯送至图 5-1 所示的加热炉中加热至 190℃，保温 12 小时，然后随炉冷却，以改善工件内部残余应力分布情况。为查看热处理前后零件表面残余应力变化情况，在零件表面选取 6 个点进行残余应力测试见图 5-2，热处理前后残余应力测试结果如图 5-3 所示。从图中数据可以看出热处理后残余应力总体得到了改善。X 方向残余应力极值降低了 25%，平均值降低了 39%；y  方向残余应力极值降低了 19.5%，平均值降低了 27.6%，说明热处理能有效改善工件内部残余应力。  

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总结

本文以减小和控制残余应力为目的，以铝合金为研究对象，将仿真与实验相结合，探究减小残余应力的铣削工艺优化方法，主要研究成果如下：  
（1）分析了基于走刀轨迹的残余应力分布规律。铣刀单个齿的走刀轨迹为圆弧形，切屑中间厚两边薄，当切屑厚度由厚变薄时，残余应力由拉应力向压应力转变。即中间表现为拉应力，两边表现为压应力。 
（2）提出了基于三维铣削模型的残余应力获取方式及分析计算方法。此外，为准确比较顺铣与逆铣的区别，本文首次提出了选取纯粹的顺铣点和逆铣点进行对比，采用极差、极值、均值更全面的对不同工艺参数组合下残余应力比较。 
（3）基于连续走刀模型，分析了不同铣削方式对残余应力的影响。结果表明，在较低切削速度 150m/min 情况下，逆铣加工产生的残余拉应力和极差均小于顺铣，拉应力最大可降低 45%，极差最大可降低 43%。在较高切削速度678m/min 情况下，顺铣与逆铣对残余应力的影响差异不大。因此，在较低切削速度情况下优先选择逆铣，在较高切削速度情况下可任意选择顺铣或逆铣。 
（4）讨论了铣削的高速效应。研究表明，切削速度提高，残余应力层深度变浅。且与较低的切削速度相比，残余应力的增长幅度远小于材料去除率的提高倍数，如切削速度从 150m/min（转速 4000 r/min）提高到 678m/min（转速 18000 r/min）时（其它工艺参数不变），材料去除率增加 3.5 倍，而残余拉应力值仅增加 0.48 倍。因此，采用较高的切削速度有利于实现加工质量和生产效率的完美统一。 
（5）基于连续加工表面模型，提出了两种刀具轨迹叠加方式：“逆铣叠加顺铣”和“顺铣叠加逆铣”，分析得出，前者能获得较小残余应力值。此外，将刀具轨迹叠加区残余应力与未叠加时进行对比，分析得出前者残余应力分布能获得有效改善，拉应力值最大下降比例达 46%。其中“逆铣覆盖顺铣”的叠加方式下叠加区残余应力优化效果较明显。 
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参考文献(略)

本文编号：54989