鋁合金高速加工及整體結(jié)構(gòu)件加工變形的試驗(yàn)與仿真研究.pdf

1、飛機(jī)的高速、高機(jī)動(dòng)性能要求使得飛機(jī)上大量采用由鋁合金預(yù)拉伸板材整體加工而成的結(jié)構(gòu)件，所以高強(qiáng)度鋁合金是飛機(jī)制造中主要材料。在多種鋁合金中，應(yīng)用最多的是A17050T7451，約所用鋁合金的材料的70﹪以上。因?yàn)檎w結(jié)構(gòu)件采用預(yù)拉伸板材整體銑削而成，為了提高加工質(zhì)量和效率，現(xiàn)在普遍采用高速加工。采用高速銑削來(lái)加工整體結(jié)構(gòu)件存在兩方面問(wèn)題，一是高速加工過(guò)程中，刀具磨損嚴(yán)重，如何選擇切削參數(shù)和優(yōu)化刀具來(lái)降低磨損、提高效益？二是雖然采用了預(yù)拉伸

2、板材做毛坯，但是整體結(jié)構(gòu)件仍然存在一定的變形，如何優(yōu)化選擇工藝來(lái)控制變形？ 本報(bào)告采用數(shù)值仿真與試驗(yàn)相結(jié)合，針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)研究。金屬材料在高速加工過(guò)程中處在高溫、高應(yīng)變和高應(yīng)變率狀態(tài)，為了在鋁合金高速切削有限元模型中建立比較準(zhǔn)確的材料本構(gòu)模型，首先進(jìn)行了材料力學(xué)性能試驗(yàn)，包括高溫拉伸試驗(yàn)、準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和高速壓縮試驗(yàn)。在獲得材料彈性模量和多種溫度、多種應(yīng)變率下的應(yīng)力一應(yīng)變曲線的基礎(chǔ)上，根據(jù)Johnson-Cook模型，擬合

3、得到了鋁合金7050T7451的本構(gòu)關(guān)系。本報(bào)告進(jìn)行的另一個(gè)試驗(yàn)是鋁合金高速銑削試驗(yàn)，包括采用直齒銑刀進(jìn)行的直角銑削試驗(yàn)和采用螺旋齒銑刀進(jìn)行的斜角銑削試驗(yàn)。銑削試驗(yàn)既是對(duì)鋁合金銑削有限元模型的驗(yàn)證，又可在以后的研究中修正材料的本構(gòu)模型。 在鋁合金7050T7451材料性能試驗(yàn)和高速銑削試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文建立了多種銑削模型，如直角銑削模型(包括等厚度和變厚度)、斜角銑削模型(單刃、雙刃、等厚度、變厚度)。在直角銑削模型的基礎(chǔ)上，詳

4、細(xì)研究了切削速度、進(jìn)給量、刀屑摩擦和刀具前角對(duì)切削力、切削溫度、剪切角及刀屑接觸長(zhǎng)度影響。分析結(jié)果表明，切削力隨切削速度升高而降低，刀屑接觸長(zhǎng)度隨切削速度的升高、刀具前角的增大而降低，切削溫度隨著切削速度的升高、刀具前角的增大而上升。比較短的刀屑接觸長(zhǎng)度短和高的切削溫度可能就是高速加工中刀具磨損的主要原因。另外，利用直角切削模型，對(duì)比分析了各種涂層刀具切削鋁合金時(shí)刀具上的最高溫度不同和從表面到內(nèi)部的溫度變化差異，彌補(bǔ)了試驗(yàn)法的不足，從而

5、為刀具涂層的研究提供了有效的手段。 在整體結(jié)構(gòu)件加工變形方面，本報(bào)告采用課題組開(kāi)發(fā)的接力算法模塊，將有限元切削模擬獲得的切削力和切削熱作為輸入數(shù)據(jù)，研究了小型整體結(jié)構(gòu)件在殘余應(yīng)力、切削力和切削熱的作用下產(chǎn)生的變形，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究。結(jié)構(gòu)件的加工試驗(yàn)產(chǎn)生的變形趨勢(shì)與數(shù)值仿真結(jié)果一致。在以上模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，研究了大型航空整體結(jié)構(gòu)件——梁的加工變形。鑒于該零件加工工藝復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，在分析航空結(jié)構(gòu)件有限元建模原則