航空整体结构件加工变形机理及精度保障技术

影响航空整体结构件加工变形的因素很多，但*主要的因素是毛坯残余应力、装夹应力和加工应力。总体上，航空整体结构件加工中材料的去除率高达90%~95%，随着材料大量切除，原有毛坯内部的残余应力平衡状态被打破，工件内部残余应力在结构件处于低刚度条件时，结构件内部的应力将达到新的平衡状态，从而导致几何变形的产生。围绕航空整体结构件数控加工变形问题，浙江大学柯映林教授于2000年在国内率先开展了相关研究，重点关注了航空整体结构件数控加工变形预测、工艺控制与安全校正等关键技术问题。

　　本书内容汇集了浙江大学柯映林教授课题组，以及从柯映林教授团队博士毕业的孙杰教授、王秋成教授等分别在山东大学、浙江工业大学等单位继续从事该领域工作所完成的研究成果。

第1章绪论

1.1引言

1.2航空整体结构件的定义、特点与分类

1.2.1航空整体结构件的定义和特点

1.2.2航空整体结构件分类

1.3航空整体结构件制造现状

1.3.1国外航空整体结构件制造技术

1.3.2国内整体结构件制造技术分析

1.4航空整体结构件数控加工变形因素分析

1.5本书的章节内容

第2章铝合金结构件毛坯残余应力分析

2.1航空铝合金毛坯类型及应力特点

2.1.1模锻毛坯及应力特点

2.1.2预拉伸板材

2.2预拉伸板材毛坯残余应力测试

2.2.1残余应力测试方法、特点

2.2.2基于裂纹柔度法的残余应力测试理论

2.2.3裂纹柔度法测试残余应力规程

2.2.4残余应力的计算和不确定度分析

2.3深冷法降低铝合金构件残余应力试验研究

第3章金属材料切削加工有限元模拟分析

3.1高速切削加工有限元建模技术

3.1.1工件材料热力耦合模型

3.1.2工件材料失效分离准则

3.1.3刀具、切屑接触与摩擦模型

3.1.4局部耗散热与绝热剪切现象

3.2铝合金7050-T7451材料模型

3.2.1铝合金7050热物理参数

3.2.2静态力学性能

3.2.3动态力学性能

3.2.4本构方程

3.3平面正交切削加工有限元模拟

3.3.1加工过程分析

3.3.2加工表面残余应力分析

3.3.3刀具角度与切削工艺参数优化

3.4斜角切削有限元模拟

3.4.1斜角切削有限元模型

3.4.2加工表面残余应力分析

3.5铣削过程的三维数值模拟

3.5.1铣削过程三维有限元模型

3.5.2三维铣削模拟结果分析

3.5.3薄壁工件三维铣削算例

结构件是构成飞机机体骨架的一类重要零件，对飞机的结构强度和气动外形有着极大的影响。现代飞机为了满足高速、高机动性、长航程、长寿命及高可靠性等要求，广泛采用整体式结构。一般来说，航空整体结构件的结构都比较复杂，在其数控加工过程中，由于各种因素的影响极易导致加工变形，即完成加工的零件从夹具中卸下之后，实际形状与理想形状出现偏差。航空整体结构件尺寸的不断变大，其加工变形也会更加严重，成为飞机制造企业难以回避的技术难题之一，长期困扰航空制造业的健康发展。由于数控加工变形给航空制造企业所造成的经济损失不容忽视，根据美国波音公司提交的一份报告称，超过47%的整体结构件加工存在变形问题，加工变形的反复校正或加工变形直接导致报废的费用每年高达 2.9 亿美元。德国曾在更大范围就加工变形造成的工业损失问题进行过统计分析，仅在机床、汽车、电力输送等行业，每年因加工变形造成的经济损失高达8.9亿欧元。影响航空整体结构件加工变形的因素很多，但主要的因素是毛坯残余应力、装夹应力和加工应力。

　　总体上，航空整体结构件加工中材料的去除率高达90%－95%，随着材料大量切除，原有毛坯内部的残余应力平衡状态被打破，工件内部残余应力在结构件处于低刚度条件时，结构件内部的应力将达到新的平衡状态，从而导致几何变形的产生。大量数据说明，毛坯残余应力是导致航空整体结构件数控加工变形的主要原因。当变形零件在外在夹紧力作用下与夹具贴合时，会产生附加应力，在夹具卸载后还会产生变形，这就是装夹应力导致加工变形的原因。在金属切削加工过程中，在切削力与切削热的耦合作用下产生加工应力是导致工件加工变形的又一种关键因素。除此以外，零件自身结构的严重不对称性对工件加工变形的影响也不容忽视。围绕航空整体结构件数控加工变形问题，浙江大学柯映林教授于2000年在国内率先开展了相关研究，重点关注了航空整体结构件数控加工变形预测、工艺控制与安全校正等关键技术问题。

　　本书内容汇集了浙江大学柯映林教授课题组，以及从柯映林教授团队博士毕业的孙杰教授、王秋成教授等分别在山东大学、浙江工业大学等单位继续从事该领域工作所完成的研究成果。参加专著撰写的作者有柯映林教授（第1章、第7章），王秋成教授（第2章），董辉跃教授（第3章、第4章），孙杰教授（第5章、第6章）。全书由柯映林教授统稿，全书文字整理工作由董辉跃教授承担。本书涉及航空整体结构件数控加工变形预测、控制与校正的基础理论、工艺试验方法，既可作为相关领域研究人员，包括博士生、硕士生的引领专著，也可作为工程技术人员的重要参考书。真诚希望本书能有益于读者深入研究航空整体结构件的加工变形问题，更好地解决这一问题，对于进一步提升我国航空制造的整体水平和国际竞争实力具有重要意义。限于作者水平，书中的问题和不足在所难免，诚恳希望专家、读者批评指正。本书相关内容是对课题组成员近20年来研究工作的凝聚和总结。主要学术贡献参与者包括从浙江大学毕业的孙杰博士、董辉跃博士、王立涛博士、王秋成博士、黄志刚博士、成群林博士、毕运波博士、杨勇博士、白万金博士，以及从山东大学毕业的王中秋、黄晓明、路来骁博士和周长安在读博士。本书得到了国家自然科学基金面上项目“大型整体结构件加工变形控制的关键技术研究（NO50175102）”“基于局部应力调整航空整体结构件变形校正理论和方法研究（NO51275277）”，国家自然科学基金重点项目“大型航空整体结构件加工变形机理及精度保障技术（NO50435020）”，以及航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司基础科研项目（NO2014-1-953）等一批国家和地方政府科技项目的资助和支持。自此谨向国家自然科学基金委员会、成都飞机工业（集团）有限责任公司、航空工业出版社以及参与本书撰写、编辑与校对等工作的全体人员致以衷心感谢！