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- 航空铝合金预拉伸板残余应力及加工变形研究
- 作者： 赵丽丽 来源： 北京航空航天大学 年份： 2016 文献类型 ： 学位论文 关键词： 淬火 拉伸 横向耦合 加工变形 数控切削 薄壁零件 残余应力 轧制
- 描述： 铝合金预拉伸板初始残余应力在数控加工过程中受到破坏而重新分布引起的零件变形问题是航空航天制造领域的瓶颈问题。目前铝合金预拉伸板毛坯内残余应力分布状态在国标和军标均没有具体规定，而残余应力是影响被加工零件形位尺寸稳定性的核心因素。本文主要针对现代航空大型整体薄壁结构件的加工变形难题，从铝合金预拉伸板残余应力的产生根源入手，从铝合金预拉伸板内已有残余应力在数控加工过程中受到破坏和重新分布的角度出发，采用基于有限元仿真的理论研究和实验验证相结合的方法，研究铝合金预拉伸板成型过程中残余应力的产生、变化以及数控加工中由于残余应力的释放和重新分布对薄壁零件加工变形的影响，最终达到控制航空大型整体薄壁结构件数控加工变形的目的。本论文主要从以下方面开展研究：一、研究7075铝合金预拉伸板轧制-热处理-拉伸-数控加工过程中应力的产生、变化、破坏和重新分布。采用 “横向耦合”整体式有限元仿真方法，综合研究分属不同物理状态的轧制、热处理、拉伸和数控切削过程中应力、应变的产生、变化及相互影响。针对不同工序属于不同的物理过程，采用过耦合的方法建立标准材料库，供不同的物理分析过程所用。“横向耦合”整体式有限元仿真方法克服了传统仿真方法中只能仿真单一物理过程的局限，由单一物理过程的仿真研究发展为交叉过程的综合模拟，并朝着优化、可靠性及变形控制研究等综合评估的方向发展。这种有限元仿真方法从铝合金预拉伸板成型过程出发，得到更为符合实际生产和加工状态的应力分布，为数控加工中合理选择铣削参数提供可靠的依据。二、基于“横向耦合”整体式有限元仿真方法得到的7075铝合金预拉伸板轧制-热处理应力仿真结果，研究并提出了有利于控制加工变形的轧制、淬火工艺：轧制过程残余应力沿厚度方向对称分布，轧制方向上除端部出现应力集中外，稳定轧制区域内应力分布均匀，其大小和分布受“轧变系数”中多种因素的综合影响；宽展方向应力只有轧制方向应力的66%左右，应力梯度大；热处理过程仍能保证残余应力关于厚度方向对称分布，但热应力对轧制应力影响较大，热应力是否能够覆盖原有的轧制应力，主要取决于淬火介质、淬火温度和淬火时间。三、根据轧制-热处理应力仿真结果，研究并提出了针对航空用的大型铝合金预拉伸板的拉伸工艺。仿真及实验结果均表明：长度较小的7075铝合金预拉伸板在实际塑性拉伸量达到2.5%-3%后，拉伸减小残余应力比较明显；大型铝合金预拉伸板拉伸后，整个板材出现三个区域：夹具区(应力集中区)，均匀变形区和小变形区。夹具区和小变形区的应力减小情况不明显，均匀变形区应力有很大的减小。无论是拉伸小的样件还是大型铝合金板材，并非拉伸量越大应力减小效果越明显，过大的拉伸量不但不会降低板材内部残余应力，反而会因过大的塑性变形而产生新的拉应力，增大内部残余应力。四、根据仿真和实验的研究结果，充分利用铝合金预拉伸板内应力关于厚度方向对称分布的特点，研究了“准对称”加工的数控铣削方法。仿真和实验结果均表明，利用对称分布应力的对称去除的“准对称”加工方法可以有效达到减小加工变形的目的。