鋼結構件加工變形控制研究范文

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摘要:

某整體鋼結構件由于材料殘余應力大、材料去除量大，導致加工過程中變形嚴重，加工效率很低。為提高加工效率，采用大切除量的工藝方案，但加工后變形量超過使用需求。通過研究基于開槽法的應力釋放技術，有效地控制了加工后零件的變形程度，提高了產品加工效率。

關鍵詞:

開槽法;殘余應力;應力釋放;變形控制

為提高結構件的強度和韌性、減少裝配工作量，零件越來越多地采用整體結構加工而成。但是整體結構件毛坯材料多為經過鍛造、軋制、熱處理等工藝加工而成，材料殘余應力較大且分布不均。在加工過程中隨著材料的切除，殘余應力得到釋放，導致加工變形。整體結構件的加工變形問題是數控加工領域公認的難題。本文通過采用基于開槽法的應力釋放技術，對某整體鋼結構件的加工變形控制進行研究。

1產品狀態

某鋼結構件采用30CrMnSiNi2A鋼鍛件整體機械加工而成，加工中材料去除量高達89%。毛坯為整體鋼鍛件，由于鍛造過程經過高溫鍛壓、熱處理等多道工序，原材料殘余應力較大，且分布十分不均。零件底面為直徑超過5000mm的弧面，厚16mm，弧長325mm，零件結構形式如圖1所示。底弧面為裝配接觸面，因此對機械加工后底弧面的形狀精度要求較高，允許變形量為±0．3mm。若底弧面發生加工變形，難以通過校形來校正，易導致產品報廢。

2加工方案

2．1銑削加工方案銑削加工方案中工件底弧面經粗加工、多次半精加工后留0．5～1mm余量。待底弧面應力釋放、充分變形后，使用球頭銑刀精銑底弧面。銑削加工方案的工藝流程如圖2所示。采用銑削加工方案加工后，底弧面尺寸滿足使用需求。多次半精加工的間隙實際上是對底弧面殘余應力釋放，使其充分變形的過程。通過加工過程中的應力釋放，使精加工前工件殘余應力減小，精加工后底弧面變形量小。但是銑削加工方案需要安排多次半精加工，進行多次應力釋放，產品生產周期長。采用球頭銑刀銑削，刀具與工件為點接觸，走刀路徑為往復形式。為了保證加工表面粗糙度，不得不減小走刀步距。因此銑削加工中刀軌路徑非常長，加工效率非常低，刀具磨損嚴重。

2．2線切割加工方案線切割加工方案中工件底弧面經粗加工后留較大余量。底弧面精加工采用線切割方式切割。線切割加工方案的工藝流程如圖3所示。采用線切割加工方案，工件底弧面可留較大余量，取消了銑削加工方案中底弧面的半精加工工序，有效縮短了產品生產周期。線切割與工件為線接觸，精加工一次成形，加工效率得到有效提升，避免了刀具磨損產生的生產成本。但是經線切割精加工后，底弧面產生較大變形，變形量達1mm，不滿足使用需求。變形后的底弧面難以校正，影響裝配精度，造成產品報廢。

3改進加工方案

3．1開槽法加工方案基于開槽法的加工方案是在線切割加工方案的基礎上進行的。首先工件底弧面經粗加工后留較大余量，然后在底弧面余量處加工應力釋放槽。應力釋放槽寬20mm，深度方向留精加工余量，橫向均勻開3個槽，縱向中心位置開1個槽，所有槽貫通弧面余量。待底弧面的殘余應力經槽應力釋放、充分變形后，采用線切割精加工底弧面。開槽法加工方案的工藝流程如圖4所示。采用開槽法加工后，底弧面尺寸滿足使用需求。通過加工應力釋放槽，使底弧面殘余應力得到釋放，降低了精加工時底弧面的殘余應力。精加工后變形量小，變形量控制在±0．2mm范圍內，滿足使用需求。另外結合線切割加工方案，加工效率得到有效提升。

3．2原因分析開槽法是切削加工前，在工件材料開槽釋放工件中殘余應力的方法，用于減小加工過程中殘余應力釋放引起的加工變形。在需要去除材料的部位加工應力釋放槽，使大部分的殘余應力得以釋放，使工件充分變形。并在下一步的加工過程中，把由于應力釋放引起的變形加工掉。研究證明，應力釋放槽深度產生的變形影響大于寬度產生的變形影響;橫向應力釋放槽應力釋放效果要優于縱向應力釋放槽;應力釋放槽數目越多，殘余應力釋放效果越好。因此，在本研究中優先選用橫向應力釋放槽。加工結果表明開槽法的應用有效地釋放了工件內部的殘余應力，工件加工變形得以控制。

4結語

隨著航空航天工業的高速發展，越來越多的零件采用整體結構加工而成。隨之產生的加工變形控制技術，是國內外學者研究的重點。開槽法可以有效地釋放工件內部殘余應力，減小整體結構件的加工變形。在毛坯殘余應力釋放過程中，其應用效果尤為顯著。由于具有處理時間短、易操作、加工成本低的優點，在小批量生產中具有廣闊的應用前景，可廣泛用于各類整體結構件殘余應力釋放、加工變形控制技術中。

對基于開槽法的加工變形控制技術的研究仍處于起步階段，對應力釋放槽結構參數的選擇主要依據經驗水平。目前主要采用的有限元分析對開槽法的研究，只能針對特定結構和眾多影響因素中的某個因素進行，仿真的精度相對較低，只能為加工變形控制提供指導性意見。基于開槽法的加工變形控制技術有待進一步理論研究，應力釋放槽的結構參數有待進一步優化。

參考文獻

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作者：崔鑫 鄭驥 葛佳 楊程 范大偉 單位：天津航天長征火箭制造有限公司 首都航天機械公司