鈦合金航空整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形的預(yù)測(cè)理論及方法研究.pdf

1、整體結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工變形是航空制造業(yè)面對(duì)的最突出問題之一。鈦合金材料具有優(yōu)異的綜合機(jī)械性能，在航空整體結(jié)構(gòu)件中獲得了大量的應(yīng)用。但是由于鈦合金切削加工中大的切削力、高的切削溫度、小的彈性模量力學(xué)屬性以及零件不均勻的初始應(yīng)力分布，使鈦合金整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中的變形問題更加復(fù)雜，嚴(yán)重影響了鈦合金航空整體結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)效率和最終產(chǎn)品精度。本文在闡述航空整體結(jié)構(gòu)件國(guó)內(nèi)外加工研究現(xiàn)狀、產(chǎn)生變形原因的基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)研究、理論建模和有限元模擬分析相結(jié)

2、合的方法，對(duì)鈦合金航空整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形的預(yù)測(cè)方法和加工變形規(guī)律進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究。 論文首先研究了鈦合金銑削加工環(huán)境中的材料本構(gòu)模型。根據(jù)正交切削理論建立了剪切區(qū)內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度以及二維切削力的數(shù)學(xué)模型，形成了以剪切區(qū)長(zhǎng)度和厚度比值為迭代變量的建模技術(shù)路線。在動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)(SHPB實(shí)驗(yàn))和直角銑削實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)各變形參數(shù)的數(shù)學(xué)求解，建立了能夠反映切削加工環(huán)境下大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高溫度特征的材料

3、本構(gòu)模型。 采用有限元模擬和實(shí)驗(yàn)兩種手段研究了鈦合金銑削加工中的切削力和切削溫度?；趯?duì)實(shí)際加工特征的分析建立了螺旋雙刃銑削加工有限元模型，研究了有限元模擬所必需的若干關(guān)鍵技術(shù)。利用該有限元模型分析了鈦合金銑削加工中切削力和切削溫度的周期變化規(guī)律，建立了切削力和切削溫度曲線。同時(shí)在對(duì)切削力和切削溫度實(shí)驗(yàn)詳細(xì)設(shè)計(jì)和改進(jìn)的基礎(chǔ)上，測(cè)量了銑削過程切削力和切削溫度曲線，分析了它們的數(shù)值及變化規(guī)律。有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究的一致性表明所建立

4、的切削力和切削溫度曲線是正確的。 基于熱力學(xué)和彈塑性力學(xué)理論，采用準(zhǔn)耦合分析方法模擬了退火熱處理過程，建立了鈦合金毛坯的三維殘余應(yīng)力場(chǎng)。采用剝層法和X射線衍射法相結(jié)合進(jìn)行了鈦合金毛坯殘余應(yīng)力測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的一致性表明有限元模擬退火產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是可信的。按照與實(shí)際零件幾何尺寸和切割位置嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的原則，對(duì)模擬鈦合金毛坯進(jìn)行相應(yīng)截取，獲得了具有初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)的航空整體結(jié)構(gòu)件數(shù)字化毛坯。 在建立材料本構(gòu)模型、切削

5、力和切削溫度載荷以及毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上，通過分析航空整體結(jié)構(gòu)件銑削加工特征，從轉(zhuǎn)化刀具切削作用這一角度出發(fā)建立了鈦合金航空整體結(jié)構(gòu)件銑削加工的彈塑性熱力耦合有限元模型。研究了銑削加工模擬所涉及的材料去除、切削載荷施加、銑削加工路徑以及約束轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)，采用接力計(jì)算方法模擬了鈦合金航空整體結(jié)構(gòu)件銑削加工過程并對(duì)加工變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)。通過模擬分析毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、切削載荷及其耦合因素對(duì)航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形的影響規(guī)律，指出切削載荷是