航空结构件全制造过程内应力场演变机理与变形控制

The machining distortion of large-scale and low-stiffness aerospace components is a knotty problem in aviation industry. To analysis and control distortion, the evolution mechanism of inner stress field during the whole manufacturing process must be understood. This project is proposed in urgent need of distortion control technology for aerospace components. A comprehensive analysis of stress field evolution process will be carried out, revealing the generation mechanism of milling induced residual stress under the coupling effect of initial stress and thermo-mechanical cutting loads, and the evolution mechanism of the inner stress field under multiple thermo-mechanical-solid effects. The challenge of predicting and loading the milling induced residual stress will be solved, and an integrated and high-precision analysis model will be built which can comprehensively reflect the effect of heat treatment, pre-stretching process, clamping, machining process and the environment conditions on the evolution of inner stress field. The influence of material treatment parameters, pre-stress clamping parameters and machining parameters will be further studied, in order to build a systemic distortion control method. The research results of this project will be useful in understanding the mechanism of machining distortion for thin-walled precision components and achieving better machining quality.

大型弱刚性航空结构件加工变形是长期困扰飞机制造企业的难题，要分析和解决该问题，必须掌握全制造过程中工件内应力场的演变机理。本项目针对航空结构件加工变形预测和控制的需要，对其制造过程中内应力场的演变过程进行深入研究，揭示初始应力场和力热载荷综合影响下高速铣削残余应力形成机理、多重力热固耦合作用下航空结构件内应力演变机理，攻克零件级仿真模型中铣削残余应力的求解和加载难题，构建综合考虑材料加工和预处理工艺、装夹工艺、切削加工工艺和环境条件变化的航空结构件全制造过程内应力场演变和加工变形分析模型，实现高精度的加工变形预测。在此基础上，进一步研究材料处理工艺参数、预应力装夹布局和装夹载荷、切削参数和工艺规划等对加工变形的影响规律，形成系统的航空结构件加工变形控制方案。研究成果对于理解精密薄壁零件加工变形产生机理、提高零件加工质量具有重要意义。

大型弱刚性航空结构件目前已广泛应用于大型客机和先进战斗机上，其加工变形是长期困扰飞机制造企业的难题，本项目针对航空结构件加工变形预测和控制的需要，对其制造过程中各种作用造成的内应力场演变机理进行了深入研究。主要研究内容和成果如下：.(1) 研究了连续切削过程中切削力热载荷和加工表面残余应力与刀具磨损的关系，分析了多次走刀加工切削残余应力分布的演变机理，构建了综合考虑工件初始残余应力、刀具磨损状态和切削力热载荷作用的切削残余应力模型，探索了可减弱切削载荷和刀具磨损的相关加工工艺。.(2) 建立了综合运用有限元仿真分析和理论解析计算的零件级薄壁件加工变形仿真分析方法并开发了相应的分析软件，该方法考虑了工件初始残余应力、装夹载荷、大量材料去除及切削载荷对工件内应力场形成和演变过程的影响，可在个人计算机和小型服务器上运行零件级仿真分析。研究表明工件初始残余应力在大量材料切除后的重新分布是引起薄壁结构件加工变形的主要原因，切削表面层残余应力也会对薄壁件加工变形产生影响。.(3) 研究了预拉伸板材在固溶淬火热处理和机械预拉伸作用下残余应力变化规律，仿真分析结果表明较高的拉伸率有利于弱化残余应力峰值，4%的拉伸率可以降低应力峰值90%以上；优化了预拉伸板材残余应力测试分析算，提出了分段法和分段裂纹柔度法两种裂纹应变数据处理方法，可以有效提升预拉伸板材残余应力求解结果的合理性以及加工变形预测精度。.(4) 探索了薄壁结构件加工变形控制方法。基于加工变形仿真分析结果，在具有特定残余应力分布的毛坯上，选择应力分布可使加工变形最小化的位置加工零件；开发了柔性夹具系统，在加工工序间，松开装夹、释放应力，在后续加工中切除前序加工引入的加工变形，可以提升最终零件的加工精度。 .本项目研究成果有助于理解精密薄壁零件加工变形产生机理、提高零件加工质量，主要面向航空航天领域薄壁结构件加工变形控制，也可以应用于车辆、能源等领域。