航空铝合金高速铣削表面残余应力预测与实验研究

【类型】学位论文

【作者】武永甫 

【关键词】 航空铝合金 高速铣削 本构建模 表面残余应力 实验研究

【摘要】大型航空整体薄壁结构件具有重量轻、装配工作量少、抗应力腐蚀和疲劳强度高等显著优点,作为主要承力结构件在航空领域得到了广泛的应用。高速铣削技术切削效率高、加工工件的表面质量高、产生的切削力和热量少,被广泛应用于航空航天工业,尤其是铝合金大型薄壁整体结构件的制造。铣削加工过程中刀具和工件的相互作用在已加工表面产生残余应力,残余应力的性质、大小对大型薄壁结构件的疲劳寿命有着非常重要的影响,结构件的疲劳寿命又直接影响着飞机的可靠性和安全性,因此迫切需要研究高速铣削加工工艺与表面残余应力的内在关系。金属切削加工是一个非常复杂的材料变形、断裂动态物理过程,切屑和加工表面形成机理非常复杂。切削加工表面残余应力的产生与机械应力、热应力在加工表面形成的强不均匀应力场、温度场密切相关。目前仿真分析本构模型多采用经验型的拟合方程,对高速切削过程中涉及到的大应变和高应变速率范围的预测精度较差,并且无法考虑高速切削加工过程中材料的绝热软化效应,造成表面残余应力仿真预测精度下降。本文以航空铝合金7075-T651为研究对象,围绕高速铣削加工表面残余应力预测和工艺控制方法研究,从数值仿真和高速铣削实验方面开展了较为系统的研究工作。本文首先在高温分离式霍普金森压杆装置上对铝合金7075-T651进行了温度范围为25℃至400℃和应变率范围为600s-1至12000s-1的动态压缩试验,得到了材料在不同应变率和温度下流动应力变化特征。采用金相实验对变形后试样截面的微观组织进行了观察,研究了材料在不同温度和应变率下的失效方式。根据流动应力变化特征,在实验数据基础上,通过对各变形参数进行拟合,建立了反映高速铣削加工大应变、高应变率和考虑绝热软化效应的基于物理概念本构模型。采用拟合出的本构方程作为材料模型,材料在三个区域的断裂失效应变与应力三轴度之间的关系作为切屑分离准则,建立了考虑刀具旋转和进给运动二维变厚度连续铣削表面残余应力预测模型,并采用实验数据对该模型进行了验证。针对数值仿真的局限性,通过开展高速铣削实验,采用X射线衍射残余应力测试方法,系统的研究了加工参数、涂层、刀具几何参数和冷却方式对已加工表面残余应力性质、大小的影响规律,并从热力耦合角度对高速铣削加工表面残余应力产生的机理进行了深入的分析。本文针对大型航空薄壁整体结构件高速铣削表面残余应力预测困难和精度较低的问题,建立了铝合金7075-T651反映高速铣削大应变、高应变率和绝热软化效应的本构模型,获得了材料在三个作用区域(单拉、纯剪和压剪)断裂失效应变与应力三轴度之间的关系表达式,建立了考虑刀具旋转和进给运动的二维仿真模型,准确描述高速铣削加工表面不均匀应力场、温度场的分布特征,提高高速铣削加工表面残余应力预测精度,仿真结果可作为后续装配仿真的初始条件;同时开展影响高速铣削表面残余应力因素的铣削实验,从提高航空结构件服役性能角度,获得了高速铣削表面残余应力工艺控制方法,为大型航空薄壁结构件高速铣削加工提供工艺指导。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】上海交通大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】李淑慧

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