航空框类整体结构件铣削加工变形的数值模拟与实验研究博士论文

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1、博 士 学 位 论 文 航空框类整体结构件铣削加工变形 论文题目 的数值模拟与实验研究 作者姓名 吴红兵 指导教师 柯映林 教授、刘刚 副教授 学科 (专业 ) 机械制造及其自动化 所在学院 机械与能源工程学院 提交日期 二零零八年四月 浙江大学博士学位论文 航空框类整体结构件铣削加工过程的数值模拟与实验研究 吴 红 兵 学科专业: 机械制造及其自动化 指导老师: 柯映林 教授 刘 刚 副教授 浙 江 大 学 机 械 与 能 源 工 程 学 院 2008 年 4 月 A Dissertation Submitted to Zhejiang University for The Degree o

2、f Ph.D. Study on Numerical Simulation and Experiment of Milling Process for Aerospace Monolithic Components By Wu Hongbing Specialty: Mechanical Manufacturing & Automation Advisors: Prof. Ke Yinglin Vice Prof. Liu GangCollege of Mechanical & Energy Engineering, Zhejiang University April, 2008 独创性声明

3、本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 浙江大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 浙江大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权 浙江大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进

4、行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 摘 要 整体结构件数控加工变形是航 空制造业面临的最突出问题 之一，多年来一直困扰航空工业。研究影响整体结构件加工 变形的因素及减小或抑制零件 加工变形的工艺方法，对航空整体结构件数控加工变形预 测及控制具有重要的意义和价 值。本文在阐述航空整体结构件国内外研究现状的基础上 ，通过理论分析、有限元计算 及实验研究相结合的方法，从三维切削机理，薄壁

5、件变形 及整体结构件数值模拟关键技 术入手，对航空整体结构件的铣削加工变形进行了深入的研究。 深入研究了金属的三维切削加工机理，并采用三维斜角切削有限元模型对航空铝合金已加工表面残余应力的分布规律 进行了模拟研究。另外采用更 接近真实铣削过程的三维螺旋刃刀具有限元模型对航空铝合金 7050-T7451 铣削机理进行了数值模拟，研究了切削过程中的各种物理现象。并分析了切削力及切削温度的变化规律。 在阐述航空薄壁件加工变形的相关理论基础上，深入研究了薄壁件切削加工模拟的若干关键技术，建立了适合薄壁件 加工的三维螺旋刃刀具有限元 模型及带悬壁板结构的薄壁工件有限元模型。利用该模型对航空铝合金 705

6、0-T7451 进行了加工变形模拟，分析了切削过程中的切削力与让刀量的 关系。为航空整体结构件局部 变形（侧壁、腹板、筋条、缘条）的研究和控制建立了基础。 针对航空框类结构件的结构及加工特点，建立了适合航空框类整体结构件铣削加工变形的有限元模型，并深入研究了 所需的建模关键技术。关键技 术主要包括框类整体结构件实际加工过程面向数值模拟过程的 CAD 模型简化研究、加工工艺向数值模拟的转化研究，毛坯初始残余应力场的构建 ，材料去除方法，切削层简化 及切削载荷的获取与施加方法，数值模拟的接力计算方法 。提出了采用对称铣削加工框 类整体结构件的工艺方法与普通加工工艺方法进行铣削加工变形的模拟与实验对

7、比分析。 通过小尺寸框类整体结构件进行包括对称 铣削加工工艺方法在内的四种不同工艺方法的铣削加工模拟及加工实验。 对四个小尺寸框类整体结构件 的数值模拟及加工实验的结果进行对比分析，验证了数值 模拟建模技术的正确性。同时 ，通过对比，证明了对称铣削加工的工艺方法能有效的减 小航空框类整体结构件铣削加 工变形。将对称铣削的加工工艺应用于实际尺寸的大型航 空框类整体结构件的铣削加工 过程模拟，进行航空框类整体结构件加工变形的预测研究。 关键词： 航空整体结构件；有限元模拟；薄壁件；切削载荷；热力耦合；加工变形预测；框；斜角切削；接力计算；铝合金； 本论文研究得到了国家自然科学基金重点项目及 国家

8、863 高技术研究发展计划资助项目 ABSTRACT The machining distortion of monolithic components is one of the most striking problems in aviation manufacturing industry. It has important value to investigate the effect factors of machining distortion and methods for reducing or avoiding distortion. Based on the domesti

9、c and foreign investigated status, from the three dimensional cutting principles, the distortion of thin-walled part, and the key modeling techniques of monolithic components for the simulation, a method combining theoretical analysis with finite element calculation and experiment is adopted in this

10、 dissertation to study the distortion prediction. The cutting mechanism has been deeply investigated. Using the three dimensional oblique cutting model, the machined surface residual stress of aluminium alloy 7050T7451 has been simulated. The tool finite element model with helical edge has been used

11、 to simulate the milling process of aluminium alloy 7050T7451, and the physical value including cutting force and cutting temperature has been analyzed. Based on the theory of cutting deformation of thin-walled parts, the key techniques of cutting simulation of thin-walled has been studied. The thre

12、e dimensional finite element model of milling process for thinned-wall part has been established. The part deflection of thinned wall part has been simulated using the established model. The cutting stress, strain, and part deflection have been investigated further. Which provided the conditions for

13、 the investigation and control of local deformation. The key modeling techniques of the machining distortion simulation for the milling process of monolithic components have been investigated, which include the simplification of geometrical model, simplification of technics, the original residual st

14、ress of raw material, simplification of cutting layer and the application and acquirement of cutting loads. The restart analysis method has been adopted to simulate the milling process of monolithic components. These provide the conditions for the machining distortion simulation of monolithic compon

15、ents. Aiming at the structure and cutting characters of frame parts, the finite element model used to simulate the machining distortion has been established. The key modeling techniques of the machining distortion simulation for the milling process of monolithic components have been investigated, which include the simplification of geometrical model, simplification of technics, the original residual stress of raw material, simplification of cutting layer , the application and acquirement of cutting loads and the restart analysis method .