殘余應(yīng)力生成機(jī)理及復(fù)雜薄壁件加工精度控制方法研究.pdf

1、薄壁件南于其結(jié)構(gòu)弱剛性、易變形、材料去除率大等特點(diǎn)，導(dǎo)致薄壁件加工精度控制一直是一個(gè)難題。影響薄壁件加工精度的因素很多，包括工件力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、力熱耦合作用、殘余應(yīng)力及裝夾系統(tǒng)等。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，通常，薄壁件在加工完成后可滿足精度要求，但在加工之后的短期或一段時(shí)間內(nèi)因自然變形過大而失效，這是由于內(nèi)部材料的殘余應(yīng)力不合理分布導(dǎo)致了工件后續(xù)的二次變形，影響了薄壁件長期的性能穩(wěn)定性，給國家和企業(yè)帶來了巨大的財(cái)產(chǎn)損失。因此，了解和

2、掌握殘余應(yīng)力的生成機(jī)理是至關(guān)重要的。
　　至今，高速銑削已廣泛應(yīng)用于薄壁件加工領(lǐng)域中，而傳統(tǒng)的企業(yè)應(yīng)用時(shí)往往僅根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)周期內(nèi)空閑設(shè)備的情況來選擇相應(yīng)的工藝參數(shù)，缺乏一定的工藝參數(shù)選擇原則。使得最終對工件殘余應(yīng)力的分布狀況仍很難或未被完全掌握。此外，對于薄壁件加工過程中缺少綜合多因素控制殘余應(yīng)力及加工精度的選擇依據(jù)，以上現(xiàn)狀對控制殘余應(yīng)力引起的薄壁件變形是極為不利的，導(dǎo)致薄壁件的加工精度控制仍然是一個(gè)難解的瓶頸問題。由此而

3、引發(fā)了對于推廣和提出控制復(fù)雜薄壁件加工精度的方法亟待研究。
　　因此，本文結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)分析，首先展開基于未變形切屑厚度的切削力、熱及其耦合作用的殘余應(yīng)力生成機(jī)理研究，其次探討高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化及其高速特性、相關(guān)優(yōu)化原則，并揭示高速銑削加工殘余應(yīng)力的重分布規(guī)律。最后，以某航空航天領(lǐng)域框體類薄壁件為工程應(yīng)用對象，綜合多因素優(yōu)化分析、研究和提出控制薄壁件殘余應(yīng)力和加工精度的方法。
　　本文的主要研究成果及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　

4、　(1)研究了基于切削力與熱的殘余應(yīng)力生成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了切削過程中的鋁合金殘余應(yīng)力生成機(jī)理。切向殘余應(yīng)力是切向力和工件表面溫度的綜合作用。徑向殘余應(yīng)力主要是徑向力作用，受溫度生成殘余拉應(yīng)力的影響要小于對切向殘余應(yīng)力作用，這是因?yàn)榍邢鳠嵩谇邢虻臄U(kuò)散程度高于在徑向的作用。發(fā)現(xiàn)和提出的殘余應(yīng)力生成機(jī)理為解釋和控制殘余應(yīng)力生成提供了科學(xué)依據(jù)。
　　(2)研究和揭示了高速銑削特性作用下的工藝參數(shù)優(yōu)化原則。結(jié)果表明高速銑削特性為，1）單因素提高

5、銑削線速度，材料去除率成正比例增加，速度升高至一定范圍，切削力減小，工件已加工表面溫度下降并穩(wěn)定在一定溫度區(qū)間內(nèi)。2）多因素工藝參數(shù)組合，材料去除率不變時(shí)，高線速度配置其他工藝參數(shù)下，能夠?qū)崿F(xiàn)加工質(zhì)量和效率的最優(yōu)值。基于以上高速特性，提出了兩大工藝參數(shù)優(yōu)化原則:1）粗加工:優(yōu)先提高切削速度，其次分別為切寬、切深和進(jìn)給量。優(yōu)先選用“高速度、大切寬、大進(jìn)給量、小切深”的組合。2）精加工:先選定切削速度，減小其他工藝參數(shù)的優(yōu)先順序分別切深、進(jìn)

6、給量、切寬。優(yōu)先選用“進(jìn)給量適中，大切寬和小切深”的組合，以上結(jié)論為進(jìn)一步設(shè)計(jì)高效、高質(zhì)加工工藝參數(shù)方案提供了科學(xué)依據(jù)。
　　(3)研究了銑削加工殘余應(yīng)力重分布作用機(jī)制，仿真與實(shí)驗(yàn)研究表明，通過分階段控制切深值，可最大程度改善后續(xù)加工亞表面殘余應(yīng)力分布。與理想無初始應(yīng)力材料相比，含有一定的初始熱處理（分布為表面壓應(yīng)力，亞表面拉應(yīng)力）或加工殘余應(yīng)力（分布為表面拉應(yīng)力，亞表面壓應(yīng)力）有利于減少后續(xù)生成的加工殘余應(yīng)力重分布值，并減小因殘

7、余應(yīng)力而產(chǎn)生的工件變形。此外，構(gòu)建和定義了刀具軌跡重疊的模型與系數(shù)，發(fā)現(xiàn)了以工件表面殘余應(yīng)力與材料去除率為控制目標(biāo)，可根據(jù)工件精度要求及零件特征綜合選用重疊系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量與效率的最佳統(tǒng)一。以上結(jié)果為控制工件加工殘余應(yīng)力分布提供了實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。
　　(4)以航空航天領(lǐng)域常見的框類薄壁件為對象，研究了復(fù)雜薄壁件加工精度控制方法。采用仿真與工程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，綜合多因素優(yōu)化控制薄壁件加工工藝方案。從結(jié)果可知，提出了:1）薄壁件平

8、面銑削優(yōu)先“由內(nèi)向外”的路徑，2）采用“對稱交叉-由外向內(nèi)”的多框加工優(yōu)先順序。3）控制切深的薄壁框工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，以及控制精加工工序夾緊變形的非傳統(tǒng)安裝方法。粗加工時(shí)，可使用專用夾具夾緊定位，增大材料去除率，切深選用大于前道工序加工亞表面殘余應(yīng)力趨于平緩的深度。精加工時(shí)，采用無夾緊力的膠水裝夾，減少材料去除率，切深需選擇小于上道工序加工亞表面最大殘余壓應(yīng)力值所在的距表而深度，可以使平而加工變形減小。綜合采用上述方法，開展航空航天