【正文】 .. 14 一、 材料 ........................................................... 15 二、 工具 ........................................................... 15 本章 小結(jié) ....................................................... 16 結(jié)論 .......................................................... 16 參考文獻(xiàn) ....................................................... 17 致謝 .......................................................... 18 中央電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 緒論 一、 設(shè)計(jì)要求 和技術(shù)指標(biāo) 現(xiàn)代 航空航天器 所用材料主要是鋁合金、合金鋼、鈦合金以及復(fù)合材料等 ，雖然復(fù)合材料和鈦合金在機(jī)體上的使用比例有逐年增加的趨勢，但是， 鋁合金 材料因?yàn)槠洳牧咸匦裕?重量輕， 密度較小、比強(qiáng)度較高、耐蝕性好、成形性較好、工藝成熟、使用數(shù)據(jù)充分、資源豐富、成本低廉，而且近年來性能不斷提高，成本降低，并出現(xiàn)新型鋁合金（鋁鋰合金），因此鋁合金的發(fā)展并未像預(yù)期的那樣迅速退出 航空航天器 結(jié)構(gòu)材料的舞臺(tái)，而仍在波音 77 A3 A380、 C919 等最先進(jìn)的 航空航天器 上大量使用?？梢?，鋁合金仍然是 航空航天器 中不可或缺的主要材料。 特別是 7000 系列及以上的，廣泛應(yīng)用在航空航天器的框架結(jié)構(gòu)上， 其中主要以框型、梁型為主，在加工成型過程 中，由于 鋁合金毛坯成型的殘余應(yīng)力及金屬切削造成的內(nèi)應(yīng)力會(huì)引起鋁合金的變形，加工中變形會(huì)影響 結(jié)構(gòu)件 的 最終 成型， 不易控制加工精度 ，也會(huì)影響 結(jié)構(gòu)件 的加工周期 ，還會(huì)造成薄壁結(jié)構(gòu)件的尺寸超差，厚度不均勻的誤差 。加工 中由于 剛性 差引起的共振 同樣影響著 結(jié)構(gòu)件 的加工穩(wěn)定性，影響表面質(zhì)量，還可能造成內(nèi)部缺陷（裂紋等）， 刀具極易磨損 (甚至 崩刃 )， 機(jī)床連接受到破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至使切削加工無法繼續(xù)進(jìn)行；振動(dòng)中產(chǎn)生的噪音 也 將危害操作 人員 的健康 。 這里尤其長梁類型 結(jié)構(gòu)件因其結(jié)構(gòu)特征 更易發(fā)生這些問題，所以對(duì)此類 結(jié)構(gòu)件 的加工變形和加工剛性工藝研究十分必要。 現(xiàn)代 航空航天器 性能要求的 越來越高 ， 其 主承力結(jié)構(gòu)件，如 航空航天器 的整體框、整體梁等均 采用由整塊毛坯直接‘掏空’而加工 成型 （如下圖） 材料切除量可達(dá)到 90%~95%。整體結(jié)構(gòu)件體積大、剛度差、易變形、加工質(zhì)量和精度很難控制 。 圖 一 中央電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 二、 主要內(nèi)容 大型 結(jié)構(gòu)件的加工變形問題，涉及力學(xué)、材料成形加工、切削加工和機(jī)械制造多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域， 本工藝研究從引起變形的因素入手分析， 采用理論建模、和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法分析和對(duì)比數(shù)控加工中零件變形情況 。分析了工件內(nèi)殘余應(yīng)力分布 ,模擬了去除材料對(duì)工件變形的影響 ,用經(jīng)過改進(jìn)的 加工 順序進(jìn)行切削過程的仿真和改進(jìn) ,并對(duì)仿真所得的零件變形量與實(shí)際加工測量結(jié)果進(jìn)行了比較 ,驗(yàn)證了分析方法和所建立模型的有效性 。 依次針對(duì)性尋找解決方案，逐個(gè) 突破， 最終成功解決變形和加工剛性的問題。 這里以某型號(hào)航空航天器長梁類結(jié)構(gòu)件為例 （材料選取鋁合金 7075T7451 預(yù)拉伸板材 ， 鋁合金熱處理并時(shí)效后的殘余應(yīng)力主要是淬火熱應(yīng)力殘留 ， 即中心為拉表面為壓的情況 。 經(jīng)過預(yù)拉伸應(yīng)力釋放 ， 則應(yīng)力降低 ， 分布會(huì)更復(fù)雜 ， 在整個(gè)厚度內(nèi)從壓到拉反復(fù)變化幾次 ， 見圖二，引至 文獻(xiàn) 【 12】 。 ） ， 由于大型結(jié)構(gòu)件具有材料去除率大，形狀復(fù)雜，整體剛性較差的特點(diǎn)，對(duì)切削加工提出了更高的要求，按航標(biāo)規(guī)定，結(jié)構(gòu)件長度小于 1000mm，允許變形 ，結(jié)構(gòu)件長度大于 1000mm小于 3000mm，允許變形 ，結(jié)構(gòu)件長度大于 3000mm，允許變形 ，故我們要控制在這個(gè)范圍內(nèi)。 大型 結(jié)構(gòu)件的加工 共振問題，航空航天器大部分結(jié)構(gòu)件都屬于薄壁結(jié)構(gòu)（大面積腹板 +支撐筋條 +外形面緣條）， 薄壁結(jié)構(gòu)件在切削力的作用下，容易產(chǎn)生震動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)件的尺寸精度，形位精度和表面粗糙度，這類零件的壁厚與他的徑向、軸向尺寸相比較，相差懸殊，所以薄壁零件的剛性較差，加工易產(chǎn)生共振，裝夾就成為了加工質(zhì)量和提高加工效率的關(guān)鍵。 航空航天器常規(guī)表面質(zhì)量要求粗糙度 ，部分有配合關(guān)系的部位或 是關(guān)鍵受力部位等表面質(zhì)量要求粗糙度 ，所以我們此次研究需要保證最低標(biāo)準(zhǔn)表面質(zhì)量粗糙度 。并且內(nèi)部要求不允許有缺陷（裂紋），這都是需要通過控制加工共振來保證的。 圖 二 中央電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第一章 加工變形影響 因素的分析及解決方案 第 一 節(jié) 變形原因的分析 大型 結(jié)構(gòu)件 剛性差，切削力、切削熱及切削振動(dòng)等均容易導(dǎo)致零件變形，降低加工精度和加工表面質(zhì)量。 從鋁合金材料 本身的特性 方面來看， 為獲得理想的 強(qiáng)度 ，鋁合金 毛坯 板材 必須經(jīng)過軋制、固溶、拉伸、時(shí)效等一系列工藝流程，在這些過程中因存在不均 勻的溫度場和不均勻的彈塑性變形，板內(nèi)產(chǎn)生了殘余應(yīng)力 ，毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力以及切削加工過程中強(qiáng)熱力耦合作用下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力， 在重新分布后造成整體結(jié)構(gòu)件整體變形 。 在切削過程中 切削力，會(huì)讓弓箭的側(cè)壁殘生“讓刀”變形，其產(chǎn)生的 切削熱及切削振動(dòng)等均容易導(dǎo)致 結(jié)構(gòu)件 變形， 在切削過程中， 刀具對(duì)工件的 切削力 ，會(huì)在 工件與刀具的接觸部分發(fā)生彈塑性變形， 并且材料不斷被刀具切除 ， 板內(nèi)殘余應(yīng)力發(fā)生釋放與重分布，原來的應(yīng)力自平衡狀態(tài)遭到破壞，工件只有通過變形才能達(dá)到新的平衡狀態(tài) 。 如圖一所示，某型 號(hào)航空航天器典型長梁類結(jié)構(gòu)件，一端有凸臺(tái)，一 面是全框面，一面是半框面，具有單邊特征。 從 結(jié)構(gòu)件 自身 幾何結(jié)構(gòu) 上看， 細(xì)長， 結(jié)構(gòu) 不對(duì)稱，薄壁部位多 ，也是產(chǎn)生較大變形的內(nèi)在因素 。彈性模量是工程材料重要的性能參數(shù)，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子間結(jié)合力的強(qiáng)弱的反映。 某型號(hào) 航空航天器 所采用的鋁合金 材料的 的彈性模量約為 70~73MPa，約為鋼的 1/3。 其彈性模量小、屈強(qiáng)比大，在切削過程中極易產(chǎn)生回彈 。 圖 三 中央電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 在加工中還存在 裝夾力的作用下 使結(jié)構(gòu)件 發(fā)生 的 變形，在 結(jié)構(gòu)件 內(nèi)部形成裝夾應(yīng)力場并產(chǎn)生相應(yīng)的位移。 當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)行切削加工時(shí)，會(huì)出現(xiàn)‘過切’或‘欠切’現(xiàn)象，從而造成工件表面幾何誤差變形，對(duì)于剛性較差的薄壁結(jié)構(gòu)件，裝夾是引起加工變形的一個(gè)重要因素。 傳統(tǒng)裝夾方式，采用壓板，這種問題尤為嚴(yán)重，并且很少采用力矩扳手，就會(huì)造成不同壓緊部位，壓緊力不同，對(duì)加工工件產(chǎn)生相應(yīng)位移，造成變形。 這里主要分析內(nèi)應(yīng)力 分布 、 幾何結(jié)構(gòu) 、刀具切削 及裝夾方式 對(duì)加工變形的影響，一般采用高強(qiáng)鋁合金預(yù)拉伸厚板和數(shù)控加工，在實(shí)際加工中，因材料性質(zhì)，毛坯的生產(chǎn)殘余應(yīng)力，加工工藝及零件集合特征導(dǎo)致加工時(shí)易產(chǎn)生明顯的殘余應(yīng)力釋放引起的變形，目前因控制 變形而采取的保守的加工方法（增加校正工序等），降低了加工效率和提高加工成本。 從典型的長梁類結(jié)構(gòu)件加工過程來看，其變形主要有幾個(gè)直接來源： ① 、 毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力以及切削加工過程中強(qiáng)熱力耦合作用下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力 ； ② 、 結(jié)構(gòu)件自身單邊不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)； ③ 、 刀具切削力、切削熱 在工件與刀具的接觸部分發(fā)生彈塑性變形； ④ 、 工裝和裝夾方式對(duì)結(jié)構(gòu)件帶來的影響； 其加工中的變形方向如下圖所示。 圖 四 目前鋁