长梁类铝合金结构件的数控加工工艺设计毕业论文.doc
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1、中央电大毕业设计(论文) 四川电大毕业设计(论文) 长梁类铝合金结构件的数控加工工艺设计 作 者: 赵 勇 市级电大: 四川省电大直属学院 专 业: 机 电 一 体 化 年 级: 2012 年 9 月 学 号: 1251001250778 指导老师: 高 晓 琴 中央电大毕业设计(论文) 四 川 电 大 毕 业 设 计(论文) 诚 信 承 诺 书 本人慎重承诺和声明:所撰写的长梁类铝合金结构 件的数控加工工艺设计是在指导老师的指导下自主完成, 文中所有引文或引用数据、图表均已注解说明来源,本人愿意为由此引 起的后果承担责任。 设计(论文)的研究成果归属学校所有。 学生(签名) 赵 勇 2014
2、年 11 月 05 日 中央电大毕业设计(论文) 摘 要 本次设计首先分析了铝合金航空结构件的材料特性及其结构特征, 根据铝合金本身的材料特性和铝合金结构件的结构特征,分析其在切削 成型过程中可能会遇到的变形和共振的问题,主要就是铝合金航空结构 件在切削成型过程中的遇到的各种会造成结构件变形的因素和影响刚性 引起共振的原因。 进而确定了总体加工方案,并进行分析研究并解决。根据加工方案 的设定,确定了加工顺序,加工设备,加工参数,加工刀具,装夹定位 方式等。 然后,进入本设计的重要部分,影响结构件变形和加工刚性的分析。 最后作其它相关因素的分析和解决,并作必要的说明。 关键词:铝合金,变形,刚性
3、,加工方案。 中央电大毕业设计(论文) AbstractAbstract TheThe designdesign ofof thethe firstfirst analysisanalysis ofof thethe materialmaterial propertiesproperties andand structurestructure characteristicscharacteristics ofof aircraftaircraft structurestructure aluminumaluminum alloyalloy parts,parts, accordingaccor
4、ding toto thethe structurestructure characteristiccharacteristic ofof materialmaterial propertiesproperties ofof aluminumaluminum alloyalloy itselfitself andand thethe aluminumaluminum alloyalloy parts,parts, thethe deformationdeformation analysisanalysis andand resonanceresonance whichwhich maymay
5、bebe encounteredencountered inin cuttingcutting thethe moldingmolding processprocess isis thethe mainmain problem,problem, allall meetmeet thethe aluminumaluminum alloyalloy aviationaviation structurestructure inin cuttingcutting moldingmolding inin thethe processprocess ofof thethe causecause andan
6、d influencinginfluencing factorsfactors ofof rigidrigid partsparts causedcaused byby thethe deformationdeformation ofof thethe reasonreason ofof resonance.resonance. ThenThen thethe overalloverall processingprocessing schemescheme isis determined,determined, andand carriedcarried onon thethe analysi
7、sanalysis andand solution.solution. AccordingAccording toto processprocess setting,setting, determinedetermine thethe processingprocessing order,order, processingprocessing equipment,equipment, processingprocessing parameter,parameter, processingprocessing cuttingcutting tool,tool, clampingclamping
8、andand locatinglocating methodmethod etcetc Then,Then, intointo thethe importantimportant partpart ofof thethe design,design, analysisanalysis ofof thethe effecteffect ofof deformationdeformation andand rigidrigid partsparts processing.processing. FinallyFinally thethe analysisanalysis andand soluti
9、onsolution ofof otherother relatedrelated factors,factors, andand makemake thethe necessarynecessary instructions.instructions. 中央电大毕业设计(论文) KeyKey words:words: aluminumaluminum alloy,alloy, deformation,deformation, rigidity,rigidity, processingprocessing scheme.scheme. 中央电大毕业设计(论文) 目 录 绪论绪论1 1 一、设计
10、要求和技术指标1 二、主要内容2 第一章第一章 加工变形影响因素的分析及解决方案加工变形影响因素的分析及解决方案3 3 第一节 变形原因的分析 .3 第二节 变形解决的方案 .5 一、从应力方面 5 二、从装夹方面 7 第二章第二章 加工刚性的影响因素分析及解决方案加工刚性的影响因素分析及解决方案9 9 第一节 加工刚性的影响因素分析 .9 第二节 刚性影响因素的解决方案 10 一、结构设计 .10 二、加工方案 .10 三、加工参数 .10 四、加工设备的选择 .11 五、刀具、工量具的选择 .12 六、工艺装夹的方式 .13 第三章第三章 其它影响因素其它影响因素1414 第一节 影响变形
11、和刚性的其他可能性 14 一、材料 .14 二、工具 .14 本章小结本章小结1515 结论结论1515 参考文献参考文献1616 致谢致谢1717 中央电大毕业设计(论文) 绪论绪论 一、一、 设计要求和技术指标设计要求和技术指标 现代航空航天器所用材料主要是铝合金、合金钢、钛合金以及复合材料等,虽然复 合材料和钛合金在机体上的使用比例有逐年增加的趋势,但是,铝合金材料因为其材料 特性,重量轻,密度较小、比强度较高、耐蚀性好、成形性较好、工艺成熟、使用数据 充分、资源丰富、成本低廉,而且近年来性能不断提高,成本降低,并出现新型铝合金 (铝锂合金),因此铝合金的发展并未像预期的那样迅速退出航空
12、航天器结构材料的舞 台,而仍在波音 777、A340、A380、C919 等最先进的航空航天器上大量使用。可见,铝 合金仍然是航空航天器中不可或缺的主要材料。特别是 7000 系列及以上的,广泛应用在 航空航天器的框架结构上,其中主要以框型、梁型为主,在加工成型过程中,由于铝合 金毛坯成型的残余应力及金属切削造成的内应力会引起铝合金的变形,加工中变形会影 响结构件的最终成型,不易控制加工精度,也会影响结构件的加工周期,还会造成薄壁 结构件的尺寸超差,厚度不均匀的误差。加工中由于刚性差引起的共振同样影响着结构 件的加工稳定性,影响表面质量,还可能造成内部缺陷(裂纹等),刀具极易磨损(甚至 崩刃)
13、,机床连接受到破坏,严重时甚至使切削加工无法继续进行;振动中产生的噪音也 将危害操作人员的健康。这里尤其长梁类型结构件因其结构特征更易发生这些问题,所 以对此类结构件的加工变形和加工刚性工艺研究十分必要。 现代航空航天器性能要求的越来越高,其主承力结构件,如航空航天器的整体框、 整体梁等均采用由整块毛坯直接掏空而加工成型(如下图)材料切除量可达到 90%95%。整体结构件体积大、刚度差、易变形、加工质量和精度很难控制。 图图 一一 二、二、 主要内容主要内容 大型结构件的加工变形问题,涉及力学、材料成形加工、切削加工和机械制造多个 中央电大毕业设计(论文) 学科领域,本工艺研究从引起变形的因素
14、入手分析,采用理论建模、和实验验证相结合 的方法分析和对比数控加工中零件变形情况;分析了工件内残余应力分布,模拟了去除材料 对工件变形的影响,用经过改进的加工顺序进行切削过程的仿真和改进,并对仿真所得的零 件变形量与实际加工测量结果进行了比较,验证了分析方法和所建立模型的有效性。依次 针对性寻找解决方案,逐个突破,最终成功解决变形和加工刚性的问题。 这里以某型号航空航天器长梁类结构件为例(材料选取铝合金 7075-T7451 预拉伸板 材,铝合金热处理并时效后的残余应力主要是淬火热应力残留,即中心为拉表面为压的 情况。经过预拉伸应力释放,则应力降低,分布会更复杂,在整个厚度内从压到拉反复 变化
15、几次,见图二,引至文献【12】。),由于大型结构件具有材料去除率大,形状复杂, 整体刚性较差的特点,对切削加工提出了更高的要求,按航标规定,结构件长度小于 1000mm,允许变形 0.3mm,结构件长度大于 1000mm 小于 3000mm,允许变形 0.5mm, 结构件长度大于 3000mm,允许变形 0.8mm,故我们要控制在这个范围内。 大型结构件的加工共振问题,航空航天器大部分结构件都属于薄壁结构(大面积腹 板+支撑筋条+外形面缘条),薄壁结构件在切削力的作用下,容易产生震动,影响结构 件的尺寸精度,形位精度和表面粗糙度,这类零件的壁厚与他的径向、轴向尺寸相比较, 相差悬殊,所以薄壁零
16、件的刚性较差,加工易产生共振,装夹就成为了加工质量和提高 加工效率的关键。 航空航天器常规表面质量要求粗糙度 Ra6.3,部分有配合关系的部位或是关键受力 部位等表面质量要求粗糙度 Ra3.2,所以我们此次研究需要保证最低标准表面质量粗糙度 Ra6.3。并且内部要求不允许有缺陷(裂纹),这都是需要通过控制加工共振来保证的。 图图 二二 第一章第一章 加工变形影响因素的分析及解决方案加工变形影响因素的分析及解决方案 第一节第一节 变形原因的分析变形原因的分析 大型结构件刚性差,切削力、切削热及切削振动等均容易导致零件变形,降低加工 中央电大毕业设计(论文) 精度和加工表面质量。从铝合金材料本身的
17、特性方面来看,为获得理想的强度,铝合金 毛坯板材必须经过轧制、固溶、拉伸、时效等一系列工艺流程,在这些过程中因存在不 均匀的温度场和不均匀的弹塑性变形,板内产生了残余应力,毛坯初始残余应力以及切 削加工过程中强热力耦合作用下产生的残余应力,在重新分布后造成整体结构件整体变 形。在切削过程中切削力,会让弓箭的侧壁残生“让刀”变形,其产生的切削热及切削 振动等均容易导致结构件变形,在切削过程中,刀具对工件的切削力,会在工件与刀具 的接触部分发生弹塑性变形,并且材料不断被刀具切除,板内残余应力发生释放与重分 布,原来的应力自平衡状态遭到破坏,工件只有通过变形才能达到新的平衡状态。 如图一所示,某型号
18、航空航天器典型长梁类结构件,一端有凸台,一面是全框面, 一面是半框面,具有单边特征。从结构件自身几何结构上看,细长,结构不对称,薄壁 部位多,也是产生较大变形的内在因素。弹性模量是工程材料重要的性能参数,从宏观 角度来说,弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度,从微观角度来说,则是 原子间结合力的强弱的反映。某型号航空航天器所采用的铝合金材料的的弹性模量约为 7073MPa,约为钢的 1/3。其弹性模量小、屈强比大,在切削过程中极易产生回弹。 图图 三三 在加工中还存在装夹力的作用下使结构件发生的变形,在结构件内部形成装夹应力 场并产生相应的位移。当刀具进行切削加工时,会出现过切或欠切现
19、象,从而 造成工件表面几何误差变形,对于刚性较差的薄壁结构件,装夹是引起加工变形的一个 重要因素。 传统装夹方式,采用压板,这种问题尤为严重,并且很少采用力矩扳手,就会造成 不同压紧部位,压紧力不同,对加工工件产生相应位移,造成变形。 这里主要分析内应力分布、几何结构、刀具切削及装夹方式对加工变形的影响,一 中央电大毕业设计(论文) 般采用高强铝合金预拉伸厚板和数控加工,在实际加工中,因材料性质,毛坯的生产残 余应力,加工工艺及零件集合特征导致加工时易产生明显的残余应力释放引起的变形, 目前因控制变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。 从典型的长梁类结构
20、件加工过程来看,其变形主要有几个直接来源: 、毛坯初始残余应力以及切削加工过程中强热力耦合作用下产生的残余应力; 、结构件自身单边不对称的结构; 、刀具切削力、切削热在工件与刀具的接触部分发生弹塑性变形; 、工装和装夹方式对结构件带来的影响; 其加工中的变形方向如下图所示。 图图 四四 目前铝合金材料加工中,锻件、铸件暂时达不到使用强度要求,故毛坯大部分还是 是选取高强铝合金预拉伸板材,整块毛坯直接掏空而加工成型,所以加工时有凸台 的一面需要去除大余量,所产生的残余应力也会比另外一面大,结构件会如图二所示向 有凸台面弯曲变形,再有结构件有一面是半框面,相当于只有一侧有外形面,没有外形 面的一侧
21、没有刚性支撑,加工中会向这一侧弯曲变形。通过文献【12】得知,对于此类结 构件,不对称结构导致不对称去除毛坯造成的残余应力不对称释放对变形的影响远大于 其他原因的影响,因此我们也主要研究残余应力对变形的影响及如何应对。 据最原始的加工数据,粗加工去除大余量过后,结构件会按图二所示方向变形超过 2mm(下图所示,图中塞尺为 2mm),只有安排校正工序来满足后续加工,加工出合格 结构件。 腹板方向变形腹板方向变形 外形方向变形外形方向变形 中央电大毕业设计(论文) 图图 五五 第二节第二节 变形解决的方案变形解决的方案 一、应力方面一、应力方面 结构件产生变形的根本原因在于其内部的残余应力,而残余
22、应力的产生根本是 由于材料内各部分有不均匀的形状和体积变化。在其材料成型、热处理、切削过程 等,都会形成不均匀的残余应力。残余应力,一种是想办法消除,再一种就是想办 法抵消。此类薄壁结构件去除材料改变了内残余应力释放和重新分布引起的变形。 加工的主要集中在粗加工去除大余量的时候,传统的消除的方法是时效,释放应力, 再通过校正,恢复原状态。通过实际变形的状态,可以预测和采取原材料供应状态, 但在材料固定下基于实际变形状态,只考虑残余应力的影响,我们通过加工中尽量 对称去除材料,合理安排加工顺序,使产品内残余应力合适释放,进而消除、抵消 变形,我们从以下几个方面入手。 切削加工过程引起的应力与毛坯
23、制造的残余应力在同一数量级上,但是只限于 加工结构件表面,加工后零件内的残余应力释放导致变形,我们从加工设备上,选 择工作稳定性好的高速切削设备,主轴转速 20000 转以上,切削速度 8000mm/min 以上,轴向切深可达到 4mm,径向切深可达到 50%刀具直径,并且加工前要对主轴 进行充足的预热,使其达到平衡状态,这里高速主轴热变形会导致主轴伸长,刀具 也会受热伸长,就会导致工件尺寸超差,故高速主轴预热很必要。以较快的速度切 削,缩短加工时间,切削区的热量来不及传给工件,所以不部分热量留在铝屑中, 由铝屑带走,工件基本不受切屑热的影响,也就消除了切削热带来了的应力变形。 去除大余量材料
24、加工,借助高速加工的转速高,切削力低,再辅以冷却液,释放切 削热,对应热塑变形效应(在切削过后产生的切削热使表层收缩多,里层收缩少。 表层的收缩受里层的牵制,因而表层存在张应力,里层存在压应力),并在去除大 2mm 塞尺,可入 中央电大毕业设计(论文) 余量材料加工后进行充分的时效,释放掉耦合作用下的残余应力,即可有效消除大 部分残余应力,控制变形。 在刀具切削去除材料后,里层金属有弹性的恢复,即在已加工表面形成之后, 因刀具的作用力消失。弹性变形趋于复原,但受到表层金属的牵制,因而在表层造 成应力状态。参考图六,腹板变形的示意图,引至文献【12】。 这时在刀具的选择方面,在刀具耐用度允许的情
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