鋁合金高速加工及整體結構件加工變形的試驗與仿真研究.pdf

1、飛機的高速、高機動性能要求使得飛機上大量采用由鋁合金預拉伸板材整體加工而成的結構件，所以高強度鋁合金是飛機制造中主要材料。在多種鋁合金中，應用最多的是A17050T7451，約所用鋁合金的材料的70﹪以上。因為整體結構件采用預拉伸板材整體銑削而成，為了提高加工質量和效率，現(xiàn)在普遍采用高速加工。采用高速銑削來加工整體結構件存在兩方面問題，一是高速加工過程中，刀具磨損嚴重，如何選擇切削參數(shù)和優(yōu)化刀具來降低磨損、提高效益？二是雖然采用了預拉伸

2、板材做毛坯，但是整體結構件仍然存在一定的變形，如何優(yōu)化選擇工藝來控制變形？ 本報告采用數(shù)值仿真與試驗相結合，針對以上兩個問題展開研究。金屬材料在高速加工過程中處在高溫、高應變和高應變率狀態(tài)，為了在鋁合金高速切削有限元模型中建立比較準確的材料本構模型，首先進行了材料力學性能試驗，包括高溫拉伸試驗、準靜態(tài)壓縮試驗和高速壓縮試驗。在獲得材料彈性模量和多種溫度、多種應變率下的應力一應變曲線的基礎上，根據(jù)Johnson-Cook模型，擬合

3、得到了鋁合金7050T7451的本構關系。本報告進行的另一個試驗是鋁合金高速銑削試驗，包括采用直齒銑刀進行的直角銑削試驗和采用螺旋齒銑刀進行的斜角銑削試驗。銑削試驗既是對鋁合金銑削有限元模型的驗證，又可在以后的研究中修正材料的本構模型。 在鋁合金7050T7451材料性能試驗和高速銑削試驗的基礎上，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上，詳

4、細研究了切削速度、進給量、刀屑摩擦和刀具前角對切削力、切削溫度、剪切角及刀屑接觸長度影響。分析結果表明，切削力隨切削速度升高而降低，刀屑接觸長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，對比分析了各種涂層刀具切削鋁合金時刀具上的最高溫度不同和從表面到內部的溫度變化差異，彌補了試驗法的不足，從而

5、為刀具涂層的研究提供了有效的手段。 在整體結構件加工變形方面，本報告采用課題組開發(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)，研究了小型整體結構件在殘余應力、切削力和切削熱的作用下產生的變形，并進行了相應的試驗研究。結構件的加工試驗產生的變形趨勢與數(shù)值仿真結果一致。在以上模擬分析和實驗驗證的基礎上，研究了大型航空整體結構件——梁的加工變形。鑒于該零件加工工藝復雜性和結構復雜性，在分析航空結構件有限元建模原則