基于材料内部残余应力释放的加工变形仿真实验研究

　　1 引言

　　大型整体结构件替代装配结构件，可以明显提高装配精度，提高产品的质量和性能，减少事故的发生，因此，越来越多的大型整体结构件得到了应用，特别是在航空航天设备中，如飞机的整体框、梁、腹板和大的接头等零件[1]。但是，大型整体结构件尺寸较大，结构复杂，精度要求高，加工难度较大，切削量大，刚性差，加工后因工件毛坯内部残余应力的释放，导致了零件变形，同时也影响着产品的生产进度[2]。

　　切削过程的仿真在国内外已经获得了成功的应用，但从整体研究来看，大多集中于二维切削的研究[3]，这在一定程度上为实际生产提供了理论依据。近年来随着计算机硬件和计算软件的不断发展以及有限元理论的逐渐完善，为进一步仿真研究三维切削加工打下了基础。

　　在弹塑性理论的基础上建立了三维铣削仿真加工变形场的有限元分析模型，通过有限元仿真技术研究毛坯内部残余应力释放引起零件加工变形规律，并与实际加工数据对比，从而为提高大型整体结构件的制造精度提供可靠的理论依据。

　　2 铣削加工变形场的力学模型

　　金属材料的铣削加工过程是工件受力反复加载和卸载的过程，当金属材料发生塑性变形后，材料对载荷的关系成了不可逆转的非线性关系。由 Prandtl-Reuss 塑性增量理论可知，总应变增量包含弹性应变增量，塑性应变增量和温度应变增量[4-5]，即：

　　3 有限元模型

　　毛坯内部残余应力在加工过程中受到破坏而重新分布是引起零件加工变形，特别是薄壁类零件加工变形的主要原因。工程上常用的薄壁框类零件进行加工仿真，如图1所示。分析加工过程中毛坯初始残余应力的释放引起的零件加工变形。工件两端为加工时夹紧部位。

　　3.1有限元模型建立方式一

　　由于图1的零件结构具有对称性，为了减少切削加工仿真过程中计算机的资源占用，提高运算速度，沿纵向取 1/2 进行分析，毛坯零件的有限元网格划分后，最终工件形状的外表面与单元体的边界重合，即一部分单元节点为工件加工余量和工件外表面的分界点，零件的有限元模型采用低阶 8 节点六面体等参单元类型进行网格划分，单元划分应便于仿真中铣削深度和铣削宽度的实现，划分后模型共有 188700 个单元和 200830 个节点。工件加工前毛坯内残余应力为自平衡力，在工件内部任一截面内合力和合力矩满足：

式中：σ—残余应力;A—截面积;M—力矩。

　　采用逐层切削法得到的 7075-T7351 铝合金预拉伸板材沿深度方向上的分布情况[6]，如图2所示。材料的弹性模量为73GPa，泊松比为0.35，材料密度为2780kg/m3 [7]。根据工件有限元模型厚度方向上的分层数，把图中残余应力曲线离散化，求得各层轧制方向 σx和宽度方向 σy的应力值，按照“力平衡、力矩平衡”的原则，在模型的有限元网格上施加初始残余应力。