航空整体结构件加工变形滚压校正理论及方法研究

【类型】学位论文

【作者】王中秋 

【关键词】 航空整体结构件 滚压 变形校正 残余应力

【摘要】航空整体结构件由于其重量轻、结构效率和可靠性高等优点被广泛的应用在航空制造领域。但航空整体结构件大多尺寸大、结构复杂、加工周期长，加工过程中因各因素综合作用，加工完成后往往产生弯曲、扭曲或弯扭组合等变形，难以达到设计精度要求。引起整体结构件变形的因素包括整体结构件的材料属性及结构特征、毛坯初始残余应力、切削力、切削热、夹紧力等。通过现有手段无法完全将加工变形抑制，因此必须对加工后变形进行校正。 通过铝合金7075-T7451正交切削实验, 基于反求法构建了适合加工条件下的铝合金Johnson-Cook材料本构关系模型。通过切削力与切削的的仿真与实验对比表明，仿真与实验结果吻合较好。通过该方法构建的材料模型避免了传统等温压缩试验中求解材料模型应变率过低的问题；与用分离式霍普金森压缩实验相比，材料模型应变范围更大，应变率范围可以根据需要调整切削实验，避免了人为加热试样可能产生的等温软化与时效强化作用，并且可以大大降低了试验费用。 基于正交实验获构建的材料本构关系模型，建立了三维铣削有限元分析模型，获得了单齿铣削铣削力的变化曲线。仿真分析表明，从刀具切入到切出过程中，模拟获得的三个方向铣削力随切入材料厚度的不同先快速增大，达到最大值缓慢减小，最后快速减小，但三个方向铣削力达到最大值的时间不同，模拟获得的铣削力变化趋势与实验获得的规律相同。研究了铣削加工过程中的温度、等效应力、等效应变及等效应变率的分布规律。铣削最高温度出现在刀刃附近的前刀面与切屑接触区，切屑与工件上的温度分布规律：切屑的温度较高，工件的温度相对较低，这主要是由于高速加工中切削热大部分被切屑带走，只有少部分传入刀具和工件。仿真获得的切屑形态与实验相似，而切削力的仿真与实验对比，最大误差不超过15%，表明有限元模型正确。将仿真获得的瞬态的铣削力及铣削温度数据作为初始条件施加到后续的整体构件的变形预测模型中，建立了毛坯初始残余应力、铣削机械应力及铣削热应力耦合模型。将毛坯初始残余应力作为初始条件，装夹夹紧力作为边界条件，三维铣削模型中获得的瞬态铣削力及铣削热作为动态载荷，施加到多应力耦合模型中。动态铣削力及铣削热按刀具的运动轨迹施加到对应单元节点上，模拟真实的铣削过程，获得加工过程中工件的变形及应力分布。夹具释放过程采用边界条件转换模拟，在底面不共线的三点施加3-2-1约束，使工件可以自由变形，获得了夹具释放后框类结构件的变形。设计了铣削实验，将模拟获得的框类结构件的最终变形与实验获相比较，验证了有限元模型的正确性。 根据二维滚压过程数学物理模型构建了二维薄壁滚压有限元仿真分析模型。分析了不同滚压力、不同薄壁厚度下滚压过程中材料流动、应力、应变变化关系，并以切削应力为例分析了滚压应力与初始应力的相互作用关系。通过分析滚压应力与初始应力的作用关系表明：薄壁滚压过程可以看作是滚压机械应力与初始应力叠加的过程，该过程可以通过调整滚压力及滚压位使薄壁产生不同程度的塑性变形量及内应力分布。不同滚压力对于薄壁滚压产生的内应力分布不同：当滚压力较低时，滚压过程只能在浅表层产生较大的滚压力压应力波谷，该滚压力水平为低滚压力水平；随着滚压力的增加，滚压产生的表层应力开始接近深层材料的应力，并引起深层材料应力的较大改变，为过渡滚压力水平；滚压力进一步增大，使滚压后工件材料应力在表层形成最大应力变化区，则为高滚压力水平，其中过渡滚压力水平对材料表层及深层综合影响最大而又不会产生较大塑性变形。相同滚压力下，薄壁滚压应力随着薄壁厚度的增加，峰值与深层材料应力的平均水平都有所降低，但是最大应力峰值产生的深度基本保持不变。将滚压应力与初始应力的叠加关系应用到T型件的滚压变形中，提出了基于校正图谱进行校正的滚压校正思路，并通过有限元仿真分析进行了初步验证。 采用解析方法和有限元法分析了平面二维应力状态毛坯初始残余应力的矩形板工件在不同初始应力条件下，逐层剥除过程中残余应力的重新分布规律以及引起的加工变形规律。分析表明，毛坯的初始应力状态对工件的变形形式具有决定性作用：当毛坯初始残余分布状态为表层为压应力、中间为拉应力时，单面去除材料后，工件发生两端向上翘曲的变形；当毛坯初始残余分布状态为表层为拉应力时，工件单面去除材料后，发生两端向下弯曲的变形。以“日”字形两隔框结构件为例，构建了侧壁局部滚压弯曲校正的有限元仿真分析模型，分析了滚压过程中滚压应力与初始应力的作用关系，以及不同滚压参数下滚压变形的变化规律。基于以上分析构建了两隔框结构件滚压变形校正图谱，并进行了仿真分析，表明该方法在隔框变形校正分析中有效，进一步通过三隔框结构件的弯曲变形校正仿真及实验对比进行了验证，表明通过查询校正图谱确定隔框类整体结构件弯曲滚压校正参数有效可行。对于实际应用可能产生的误差使校正结果一次无法满足要求的，可以通过查询校正图谱进行多次滚压，使工件变形得到消除，最终使尺寸达到设计及装配要求。 设计了滚压校正装置，用于实验分析。针对滚压校正过程对侧壁表面质量的改变，设计了薄壁滚压实验，对不同滚压参数下滚压前后薄壁表面粗糙度随着滚压力的增加而逐渐减小。滚压后薄壁表面的微硬度可以获得提高，越高的滚压力，获得的滚压后表面硬度越高，但是较高的加工速度滚压后的增长速度逐渐降低；滚压后的硬度可以看做是切削硬化与滚压硬化这两种作用综合作用叠加，随着滚压力增加滚压作用所占的影响程度越大，加工速度造成的影响就逐渐被掩盖。滚压前后的耐磨性对比表明，工件表面滚压后，薄壁的磨损率以及摩擦系数相对未滚压前得到降低；随着滚压力的增加，耐磨性、摩擦系数进一步降低，但滚压后的高速加工后的表面摩擦系数相差较大但是磨损率接近，表面粗糙度对摩擦系数影响较大，但是表面硬度及分布深度相对表面粗糙度对耐磨性影响更大。通过X射线衍射法对薄壁滚压前后的表面残余应力进行了测量，并用电解抛光对滚压前后薄壁进行剥层，测量的X方向应力随层深分布的变化。分析表明：通过滚轮滚压可以在受滚压的薄壁表面及表面以下一定深度范围内叠加一定的滚压应力，当滚压力水平相对较低时，越大的滚压力产生的滚压应力峰值越大，产生的滚压应力谷的沿壁厚分布深度也越深。实验与仿真分析的变化规律一致。

【学位名称】博士

【学位授予单位】山东大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】李剑峰，孙杰

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