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年 11 月 05 日中
2、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，加工方案。中央电大毕业设计(论文)Abstrac
3、tThe design of the first analysis of the material properties and structure characteristics of aircraft structure aluminum alloy parts, according to the structure characteristic of material properties of aluminum alloy itself and the aluminum alloy parts, the deformation analysis and resonance which
4、may be encountered in cutting the molding process is the main problem, all meet the aluminum alloy aviation structure in cutting molding in the process of the cause and influencing factors of rigid parts caused by the deformation of the reason of resonance.Then the overall processing scheme is deter
5、mined, and carried on the analysis and solution. According to process setting, determine the processing order, processing equipment, processing parameter, processing cutting tool, clamping and locating method etc.Then, into the important part of the design, analysis of the effect of deformation and
6、rigid parts processing.Finally the analysis and solution of other related factors, and make the necessary instructions.中央电大毕业设计(论文)Key words: aluminum alloy, deformation, rigidity, processing scheme.中央电大毕业设计(论文)目 录绪论 .1一、设计要求和技术指标 .1二、主要内容 .2第一章 加工变形影响因素的分析及解决方案 .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
7、 .5二、从装夹方面 .7第二章 加工刚性的影响因素分析及解决方案 .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 其它影响因素 .14第一节 影响变形和刚性的其他可能性 .14一、材料 .14二、工具 .14本章小结 .15结论 .15参考文献 .16致谢 .17中央电大毕业设计(论文)绪论一、 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
8、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
9、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) ，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
10、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 一二、 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
11、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
12、（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 二第一章 加工变形影响因素的分析及解决方案第一节 变形原因的分析大型结构件刚性差，切削力、
13、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
14、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 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
15、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）
16、，降低了加工效率和提高加工成本。从典型的长梁类结构件加工过程来看，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 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。腹板方向变形外形方向变形
