航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形滾壓校正理論及方法研究.pdf

1、航空整體結(jié)構(gòu)件由于其重量輕、結(jié)構(gòu)效率和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用在航空制造領(lǐng)域。但航空整體結(jié)構(gòu)件大多尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工周期長(zhǎng)，加工過程中因各因素綜合作用，加工完成后往往產(chǎn)生彎曲、扭曲或彎扭組合等變形，難以達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求。引起整體結(jié)構(gòu)件變形的因素包括整體結(jié)構(gòu)件的材料屬性及結(jié)構(gòu)特征、毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、切削力、切削熱、夾緊力等。通過現(xiàn)有手段無(wú)法完全將加工變形抑制，因此必須對(duì)加工后變形進(jìn)行校正。 通過鋁合金7075-T7451正

2、交切削實(shí)驗(yàn)，基于反求法構(gòu)建了適合加工條件下的鋁合金Johnson-Cook材料本構(gòu)關(guān)系模型。通過切削力與切削的的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。通過該方法構(gòu)建的材料模型避免了傳統(tǒng)等溫壓縮試驗(yàn)中求解材料模型應(yīng)變率過低的問題；與用分離式霍普金森壓縮實(shí)驗(yàn)相比，材料模型應(yīng)變范圍更大，應(yīng)變率范圍可以根據(jù)需要調(diào)整切削實(shí)驗(yàn)，避免了人為加熱試樣可能產(chǎn)生的等溫軟化與時(shí)效強(qiáng)化作用，并且可以大大降低了試驗(yàn)費(fèi)用。 基于正交實(shí)驗(yàn)獲構(gòu)建的材料

3、本構(gòu)關(guān)系模型，建立了三維銑削有限元分析模型，獲得了單齒銑削銑削力的變化曲線。仿真分析表明，從刀具切入到切出過程中，模擬獲得的三個(gè)方向銑削力隨切入材料厚度的不同先快速增大，達(dá)到最大值緩慢減小，最后快速減小，但三個(gè)方向銑削力達(dá)到最大值的時(shí)間不同，模擬獲得的銑削力變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)獲得的規(guī)律相同。研究了銑削加工過程中的溫度、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變及等效應(yīng)變率的分布規(guī)律。銑削最高溫度出現(xiàn)在刀刃附近的前刀面與切屑接觸區(qū)，切屑與工件上的溫度分布規(guī)律：切屑的

4、溫度較高，工件的溫度相對(duì)較低，這主要是由于高速加工中切削熱大部分被切屑帶走，只有少部分傳入刀具和工件。仿真獲得的切屑形態(tài)與實(shí)驗(yàn)相似，而切削力的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，最大誤差不超過15％，表明有限元模型正確。將仿真獲得的瞬態(tài)的銑削力及銑削溫度數(shù)據(jù)作為初始條件施加到后續(xù)的整體構(gòu)件的變形預(yù)測(cè)模型中，建立了毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、銑削機(jī)械應(yīng)力及銑削熱應(yīng)力耦合模型。將毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力作為初始條件，裝夾夾緊力作為邊界條件，三維銑削模型中獲得的瞬態(tài)銑削力及銑削熱

5、作為動(dòng)態(tài)載荷，施加到多應(yīng)力耦合模型中。動(dòng)態(tài)銑削力及銑削熱按刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡施加到對(duì)應(yīng)單元節(jié)點(diǎn)上，模擬真實(shí)的銑削過程，獲得加工過程中工件的變形及應(yīng)力分布。夾具釋放過程采用邊界條件轉(zhuǎn)換模擬，在底面不共線的三點(diǎn)施加3-2-1約束，使工件可以自由變形，獲得了夾具釋放后框類結(jié)構(gòu)件的變形。設(shè)計(jì)了銑削實(shí)驗(yàn)，將模擬獲得的框類結(jié)構(gòu)件的最終變形與實(shí)驗(yàn)獲相比較，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。 根據(jù)二維滾壓過程數(shù)學(xué)物理模型構(gòu)建了二維薄壁滾壓有限元仿真分析模

6、型。分析了不同滾壓力、不同薄壁厚度下滾壓過程中材料流動(dòng)、應(yīng)力、應(yīng)變變化關(guān)系，并以切削應(yīng)力為例分析了滾壓應(yīng)力與初始應(yīng)力的相互作用關(guān)系。通過分析滾壓應(yīng)力與初始應(yīng)力的作用關(guān)系表明：薄壁滾壓過程可以看作是滾壓機(jī)械應(yīng)力與初始應(yīng)力疊加的過程，該過程可以通過調(diào)整滾壓力及滾壓位使薄壁產(chǎn)生不同程度的塑性變形量及內(nèi)應(yīng)力分布。不同滾壓力對(duì)于薄壁滾壓產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力分布不同：當(dāng)滾壓力較低時(shí)，滾壓過程只能在淺表層產(chǎn)生較大的滾壓力壓應(yīng)力波谷，該滾壓力水平為低滾壓力水平

7、；隨著滾壓力的增加，滾壓產(chǎn)生的表層應(yīng)力開始接近深層材料的應(yīng)力，并引起深層材料應(yīng)力的較大改變，為過渡滾壓力水平；滾壓力進(jìn)一步增大，使?jié)L壓后工件材料應(yīng)力在表層形成最大應(yīng)力變化區(qū)，則為高滾壓力水平，其中過渡滾壓力水平對(duì)材料表層及深層綜合影響最大而又不會(huì)產(chǎn)生較大塑性變形。相同滾壓力下，薄壁滾壓應(yīng)力隨著薄壁厚度的增加，峰值與深層材料應(yīng)力的平均水平都有所降低，但是最大應(yīng)力峰值產(chǎn)生的深度基本保持不變。將滾壓應(yīng)力與初始應(yīng)力的疊加關(guān)系應(yīng)用到T型件的滾壓變

8、形中，提出了基于校正圖譜進(jìn)行校正下的滾壓校正思路，并通過有限元仿真分析進(jìn)行了初步驗(yàn)證。 采用解析方法和有限元法分析了平面二維應(yīng)力狀態(tài)毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的矩形板工件在不同初始應(yīng)力條件下，逐層剝除過程中殘余應(yīng)力的重新分布規(guī)律以及引起的加工變形規(guī)律。分析表明，毛坯的初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)工件的變形形式具有決定性作用：當(dāng)毛坯初始?xì)堄喾植紶顟B(tài)為表層為壓應(yīng)力、中間為拉應(yīng)力時(shí)，單面去除材料后，工件發(fā)生兩端向上翹曲的變形；當(dāng)毛坯初始?xì)堄喾植紶顟B(tài)為表層為

9、拉應(yīng)力時(shí)，工件單面去除材料后，發(fā)生兩端向下彎曲的變形。以“日”字形兩隔框結(jié)構(gòu)件為例，構(gòu)建了側(cè)壁局部滾壓彎曲校正的有限元仿真分析模型，分析了滾壓過程中滾壓應(yīng)力與初始應(yīng)力的作用關(guān)系，以及不同滾壓參數(shù)下滾壓變形的變化規(guī)律。基于以上分析構(gòu)建了兩隔框結(jié)構(gòu)件滾壓變形校正圖譜，并進(jìn)行了仿真分析，表明該方法在隔框變形校正分析中有效，進(jìn)一步通過三隔框結(jié)構(gòu)件的彎曲變形校正仿真及實(shí)驗(yàn)對(duì)比進(jìn)行了驗(yàn)證，表明通過查詢校正下圖譜確定隔框類整體結(jié)構(gòu)件彎曲滾壓校正參數(shù)有

10、效可行。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用可能產(chǎn)生的誤差使校正結(jié)果一次無(wú)法滿足要求的，可以通過查詢校正圖譜進(jìn)行多次滾壓，使工件變形得到消除，最終使尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)及裝配要求。 設(shè)計(jì)了滾壓校正裝置，用于實(shí)驗(yàn)分析。針對(duì)滾壓校正下過程對(duì)側(cè)壁表面質(zhì)量的改變，設(shè)計(jì)了薄壁滾壓實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同滾壓參數(shù)下滾壓前后薄壁表面粗糙度隨著滾壓力的增加而逐漸減小。滾壓后薄壁表面的微硬度可以獲得提高，越高的滾壓力，獲得的滾壓后表面硬度越高，但是較高的加工速度滾壓后的增長(zhǎng)速度逐漸降低；

11、滾壓后的硬度可以看做是切削硬化與滾壓硬化這兩種作用綜合作用疊加，隨著滾壓力增加滾壓作用所占的影響程度越大，加工速度造成的影響就逐漸被掩蓋。滾壓前后的耐磨性對(duì)比表明，工件表面滾壓后，薄壁的磨損率以及摩擦系數(shù)相對(duì)未滾壓前得到降低；隨著滾壓力的增加，耐磨性、摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低，但滾壓后的高速加工后的表面摩擦系數(shù)相差較大但是磨損率接近，表面粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)影響較大，但是表面硬度及分布深度相對(duì)表面粗糙度對(duì)耐磨性影響更大。通過X射線衍射法對(duì)薄壁滾壓