面向7075铝厚板加工变形的初始残余应力释放与再分布模型

通过材料的切削去除转化为残余应力的释放,利用静力平衡条件将作用于飞机结构件的残余应力等效为外力后,依据小变形理论创新性地建立加工变形的分析模型。通过全面地考虑拉压、弯曲、以及转角引起的飞机结构件的厚向位置变化,利用叠加原理建立了残余应力再分布的力学模型。本研究建立的解析模型,不仅能够准确地计算飞机结构件的加工变形,还能够分析毛坯残余应力的再分布状态,通过与有限元仿真值、实验测量值进行比较,结果表明:无论是幅值还是变形曲线,解析值都与仿真值具有高度一致性,而与测量值相比,尽管在变形曲线上具有很好的吻合性,但由于残余应力的测量误差使得两者在幅值上亦存在一定误差。     

面向7075铝合金预拉伸厚板加工变形控制的变向迭代法

具有壁薄、尺寸大、加工精度高、材料去除量大等特点的航空整体结构件,其毛坯大多选用预拉伸铝合金厚板。在高速切削成形过程中,随着材料的大量去除,毛坯内初始残余应力势必发生释放,零件只有通过弯曲变形等行为才能达到新的平衡状态,导致加工精度得不到保证,甚至成为废品。因此,研究残余应力释放产生加工变形的演化机制,是控制和保证加工质量的核心所在,对于实现加工过程的高效化和精密化至关重要。首先,依据毛坯分解为去除材料和成形零件两部分,将初始残余应力分为释放应力和有效应力,利用静力平衡条件和弯曲变形理论建立加工变形的分析模型。然后采用有限元方法求解加工变形的分析模型,通过现场加工零件后经测试可知：加工变形的仿真值与测量值相比,无论是幅值水平还是变形曲线,尽管均具有具有很好的吻合性,但由于残余应力的测量误差使得两者亦存在10%左右的幅值误差。最后建立以最小加工变形为目标的零件加工位置优化模型。通过以一定步长正向从最小值开始选取加工位置,根据当前值与上一次取值的变形方向差异,确定下一次取值的步长及其方向,若变形方向相同则以相同步长继续正向取值,否则减小步长反向取值,直至步长的绝对值在阈值范围之内,提出求解加工位置优化模型的变向迭代方法。与企业实际使用的中间位置法相比,变向迭代方法能够使得加工变形减小99.79%。     

基于ANSYS／LS—DYNA的焦面板残余应力分析

为研究残余应力的释放对焦面板的变形影响,建立三维斜角切削有限元模型,使用ANSYS/LS-DYNA进行切削模拟,获得了已加工表面的残余应力分布,并研究不同切削深度下焦面板的变形大小.通过加工试验表明基于有限元的数值模拟方法可以有效预测焦面板的加工变形.     

复杂薄壁零件数控加工变形误差控制补偿技术研究

高性能航空发动机整体叶盘、大小叶片转子、离心叶轮、叶片等零件广泛采用钛合金薄壁结构。加工过程中的切削力、残余应力将产生零件加工变形及加工误差。本文重点讨论了薄壁零件加工过程中的切削力建模和工件加工表层残余应力的分布规律,提出了对叶盘零件加工变形误差的补偿方案。通过建立精确的切削力、残余应力预报模型,对切削加工过程进行力学仿真,优化切削参数、补偿刀位轨迹,进而实现薄壁结构叶盘零件的精密数控加工。     

7075铝厚板内淬火残余应力的形成机理分析与控制策略

残余应力在材料去除后的释放与再分布是引起飞机结构件加工变形的重要因素。而淬火过程中,铝合金厚板内部产生高温度梯度场,由其造成的不均匀塑性变形是形成淬火残余应力的关键所在。为此,通过作为表示工件与介质之间换热能力的对流换热系数,建立了淬火工艺的有限元分析模型,与实验结果的比较分析表明,无论是残余应力幅值还是分布趋势,仿真值均有很高的吻合度。在此基础上,利用有限元方法进行了淬火残余应力的形成机理,认为芯层在终滑点塑性变形结束时最终的残余应力已经形成,之后继续降温过程残余应力基本保持不变。最后以芯层终滑点为依据提出了热换系数的残余应力控性控形方法。从分析结果可知,控形区对最终残余应力的影响很大,控性区段基本不影响最终残余应力。因此,可以通过合理降低控形区邻域和增加控性区邻域内对流热换系数的方法,实现冷却速度的增加和残余应力的减少。     

2024铝合金结构件残余应力的评估与变形预测

为了研究毛坯初始残余应力和铣削加工引入的表面残余应力对2024铝合金结构件加工变形的影响,通过有限元模拟和铣削试验对两框整体梁的加工变形进行了研究。考虑了毛坯的初始残余应力、铣削加工引入的表面残余应力以及这两个影响因素的综合作用对两框整体梁加工变形的影响。研究结果表明,毛坯的初始残余应力是两框整体梁产生加工变形的主要影响因素,初始残余应力与铣削加工引入的表面残余应力的综合作用加剧了变形,其中,由初始残余应力引起的变形占整体梁总变形的92%,表面残余应力引起的变形占整体梁总变形量的8%左右。并最终通过对两框整体梁的铣削加工试验验证了有限元模拟结果的准确性,对实际生产具有一定的参考价值。     

初始残余应力对薄壁回转件加工变形的影响

为了研究毛坯初始残余应力对7075铝合金薄壁回转结构件加工变形的影响,采用有限元仿真和试验验证结合的方法,利用ABAQUS顺序耦合热应力分析对铝合金薄壁回转结构件的淬火过程进行研究,得到毛坯的初始残余应力,并进行了毛坯的初始残余应力测量试验,再用有限元方法仿真了切削过程,并进行切削试验。结果表明,有限元仿真结果与测量结果数据相近,初始残余应力误差最大为16.85%,工件的径向变形量误差最大为0.033mm,毛坯初始残余应力对7075铝合金薄壁回转结构件的加工变形有着显著的影响,同时验证了有限元模型的准确性,可为后续的加工参数进行优化和预测,对实际生产具有一定的参考价值。     

面向7075-T7451铝合金厚板加工变形控制的变向迭代优化方法

依据毛坯分解为去除材料和成形零件两部分,将初始残余应力分为释放应力和有效应力,利用静力平衡条件和弯曲变形理论建立加工变形分析模型及其有限元求解方法。通过现场加工零件后,经与实验测量结果进行对比分析可知,无论是幅值水平还是变形曲线,加工变形的仿真值均有很好的吻合性,两者仅存在10%左右的幅值误差。利用有限元方法求出相邻2个加工位置的零件变形,依据"变形方向相同则步长相等、变形方向相反则步长递减"原则确定下一个加工位置,提出加工位置的变向迭代优化方法。经与企业实际使用的中间位置法相比,变向迭代优化方法能够使得加工变形减小99.79%。     

刀具前角对加工残余应力的影响分析

切削加工过程中在工件表面产生的残余应力的大小和分布对工件的使用性能有重要影响.实践表明工件表面残余应力与刀具前角密切相关.文章建立了二维切削模型,利用有限元法计算分析了残余应力与刀具前角的关系.结果表明,在前角一定变化范围内,工件表面主要产生残余拉应力,其值随前角增加先增大后减小,残余拉应力层的厚度与刀具前角关系不明显.因此可以通过改变刀具前角来控制加工过程中的残余应力.     

铸造件切削加工残余应力及变形机理研究

铸造件在变形矫正中会产生很大的寄存残余应力,当该铸造件进行切削加工时,由于切削加工的作用会使构件内部残余应力重新分布,最终决定了构件的几何形状。因此,如何更好的预测、控制切削加工的残余应力,通过该残余应力与铸件寄存的残余应力的叠加,保证铸件切削加工后精确的几何形状是当前切削加工研究的关键问题。本文基于有限元仿真技术,针对于大型构件,从研究高速切削加工残余应力的特性入手,分析了残余应力的产生特性,并进一步揭示了残余应力对构件变形的影响,得出了仿真模型,对于预防铸造件加工变形,优化切削加工参数有很好的指导意义。     

Residual stress analysis in thermally sprayed layer composites,using the hole milling and drilling method

Residual stresses are related to the thermophysical properties of substrate and coating materials and occur after the coated component has undergone thermal spraying and machining processes. All residual stresses in layer composites result from different individual stress mechanisms occurring during the manufacturing process, mainly based on heat and mass transfer during the coating deposition. Using the hole-milling-and-drilling method, residual stress fields can be measured in a quasi-nondestructive way over the drilling depth with appropriate resolution. In several drilling and milling operations, a cylindrically shaped hole is brought step by step into the component surface. The residual stresses are locally relieved due to material removal, deform the surface around the drilled microhole, and are measured by high-resolution measurement tools (e.g., strain gages (DMS)), for every drilling step in the form of relaxed surface strains. Using calibration curves and material data (E, μ), the measured surface strains are converted into nominal strains at the bottom of the drilled hole for every drilling step. Out of the differentiated strains, in-plane stress fields can be incrementally determined by Hooke’s law. This study describes residual stress measurement features, the finite-element method (FEM) calculation, and the idealization of calibration curves, as well as the results of exemplary stress measurements. The original version of this article was published as part of the ASM Proceedings, Thermal Spray 2003: Advancing the Science and Applying the Technology, International Thermal Spray Conference (Orlando, FL), May 5–8, 2003, Basil R. Marple and Christian Moreau, Ed., ASM International, 2003.     

Ti6Al4V零件铣削加工表面等效残余应力与作用深度的测量及其有限元分析

金属零件在切削加工后,其被加工表面会形成一残余应力层,其所引起零件的变形是影响精密弱刚性零件精度的重要的因素。为了预测Ti6Al4V零件因铣削加工表面残余应力而引起的变形,本文介绍一种测量表面等效残余应力及其作用深度的方法而达到此目的。通过对被加工面的对面进行两次腐蚀去除材料的操作使得零件的厚度和中性层的位置发生变化,测量此过程中零件挠度和表面应变的变化,进而计算得铣削加工引起的零件表面等效残余应力及其作用深度值。通过有限元分析验证该方法得到的结果,发现有限元计算得到的零件挠度和应变的变化与实际测量值非常吻合,因此可以断定该方法得到的结果是正确的,其可以正确评估铣削加工引起的表面残余应力性质和大小并能准确预测零件铣削加工后因表面残余应力而引起的工件的变形量,从而可以预测零件是否满足精度要求。     

预拉伸对7075铝合金厚板残余应力分布的影响

运用有限元法对7075铝合金厚板预拉伸过程进行了数值模拟,获得了预拉伸板内部的残余应力分布,研究了预拉伸量对残余应力演变的影响.采用裂纹柔度法对淬火板和预拉伸板(拉伸量分别为1.8%、2.2%和2.5%)进行了残余应力检测,计算得到了不同工艺下铝厚板内部的残余应力分布.结果表明:预拉伸能够大幅消减淬火残余应力,当拉伸量为2.2%左右时,残余应力减少至±20MPa,能够满足后续加工的要求.     

数值计算模拟工艺参数对管道环焊缝残余应力的影响

以热——弹塑性理论为基础,建立了厚壁管环焊缝残余应力的二维轴对称有限元模型,利用ANSYS有限元程序分析了三种焊接工艺参数对管道环焊缝残余应力的影响,计算中考虑了材料热物理性能参数和力学性能参数的温度相关性.结果表明,管道内表面焊缝和近缝区的轴向和环向残余应力均为拉应力,而管道外表面焊缝和近缝区的轴向残余应力和环向残余应力均为压应力;接头内表面应力水平高于外表面;残余应力的最大值均位于距管道外表面一定距离处,其数值接近于材料的屈服应力;随着焊接热输入的增加,残余应力峰值变化不大,塑性变形区宽度增加.     

钛过渡层对CVD金刚石膜热残余应力的影响

选用钛作为金刚石膜和钼基体间的中间过渡层,探讨使用过渡层减小热残余应力的可能性.建立三维有限元分析模型,对使用钛过渡层前、后,金刚石膜内及界面处的热残余应力分量的分布分别进行模拟和比较;考虑了热膨胀系数随温度的变化;讨论了热残余应力对金刚石膜失效的影响.结果表明:采用钛过渡层后,热残余应力的特性和分布规律并未改变,但各应力分量的大小均有一定的减小.本文所建三维的有限元分析模型与已往的一维解析模型都能得出金刚石膜沿其厚度上的径向应力分布,但前者还能得出金刚石膜在其内部及界面处的多个应力分量沿径向或沿厚度的分布规律.     

薄壁Ti6Al4V管件采用不同车削参数加工引起的表面残余应力的测量

切削加工引起的金属零件的表面残余应力,其性质和大小对零件的服役性能产生很重要的影响。在测量车削加工Ti6Al4V薄壁管件引起的表面残余过程中,由于边缘效应的存在,使得零件的长度对测量精度有严重的影响。由于管件的壁厚很薄,当去除一应力层时会对剩余部分的残余应力的重新分布产生重要的影响,因此必须对剥层后X射线法测得的应力值进行修正补偿才能得到其初始应力值。传统的修正方法其计算比较复杂,对零件和应力都有特别的要求,而且在某些情况下其修正精度还达不到要求。同时考虑测量精度、测量可行性以及节约材料诸多方面的问题,本文运用有限元验证的方法确定零件合适的长度。同时本文运用精度较高的基于有限元分析的修正方法结合X射线法测量Ti6Al4V管件车削加工引起的表面残余应力,分析不同切削参数以及退火处理对表面残余应力的影响。结果显示：切削速度、进给量以及切削深度在指定范围内增大时会导致表面切削和进给方向的压应力增大,退火处理会使得表面两个方向的残余应力减小将近85%。     

Effect of crystallography on residual stresses during ultra-precision machining of sapphire

Residual stresses play an important role in determining the quality of a machined surface during ultra-precision machining (UPM) of ceramics by initiating cracks at premature loads. In this study, the anisotropy in residual stresses resulting from UPM of two crystallographic planes of sapphire is investigated using micro-Raman spectroscopy. An analytical model is then used to improve our understanding of plastic deformation during UPM and its contribution to residual stress. Results show a strong dependence of residual stress magnitude on the slip and fracture systems activated during machining which are anisotropic based on the cutting direction.