钢结构件加工变形控制研究范文

摘要:

某整体钢结构件由于材料残余应力大、材料去除量大，导致加工过程中变形严重，加工效率很低。为提高加工效率，采用大切除量的工艺方案，但加工后变形量超过使用需求。通过研究基于开槽法的应力释放技术，有效地控制了加工后零件的变形程度，提高了产品加工效率。

关键词:

开槽法;残余应力;应力释放;变形控制

为提高结构件的强度和韧性、减少装配工作量，零件越来越多地采用整体结构加工而成。但是整体结构件毛坯材料多为经过锻造、轧制、热处理等工艺加工而成，材料残余应力较大且分布不均。在加工过程中随着材料的切除，残余应力得到释放，导致加工变形。整体结构件的加工变形问题是数控加工领域公认的难题。本文通过采用基于开槽法的应力释放技术，对某整体钢结构件的加工变形控制进行研究。

1产品状态

某钢结构件采用30CrMnSiNi2A钢锻件整体机械加工而成，加工中材料去除量高达89%。毛坯为整体钢锻件，由于锻造过程经过高温锻压、热处理等多道工序，原材料残余应力较大，且分布十分不均。零件底面为直径超过5000mm的弧面，厚16mm，弧长325mm，零件结构形式如图1所示。底弧面为装配接触面，因此对机械加工后底弧面的形状精度要求较高，允许变形量为±0．3mm。若底弧面发生加工变形，难以通过校形来校正，易导致产品报废。

2加工方案

2．1铣削加工方案铣削加工方案中工件底弧面经粗加工、多次半精加工后留0．5～1mm余量。待底弧面应力释放、充分变形后，使用球头铣刀精铣底弧面。铣削加工方案的工艺流程如图2所示。采用铣削加工方案加工后，底弧面尺寸满足使用需求。多次半精加工的间隙实际上是对底弧面残余应力释放，使其充分变形的过程。通过加工过程中的应力释放，使精加工前工件残余应力减小，精加工后底弧面变形量小。但是铣削加工方案需要安排多次半精加工，进行多次应力释放，产品生产周期长。采用球头铣刀铣削，刀具与工件为点接触，走刀路径为往复形式。为了保证加工表面粗糙度，不得不减小走刀步距。因此铣削加工中刀轨路径非常长，加工效率非常低，刀具磨损严重。

2．2线切割加工方案线切割加工方案中工件底弧面经粗加工后留较大余量。底弧面精加工采用线切割方式切割。线切割加工方案的工艺流程如图3所示。采用线切割加工方案，工件底弧面可留较大余量，取消了铣削加工方案中底弧面的半精加工工序，有效缩短了产品生产周期。线切割与工件为线接触，精加工一次成形，加工效率得到有效提升，避免了刀具磨损产生的生产成本。但是经线切割精加工后，底弧面产生较大变形，变形量达1mm，不满足使用需求。变形后的底弧面难以校正，影响装配精度，造成产品报废。

3改进加工方案

3．1开槽法加工方案基于开槽法的加工方案是在线切割加工方案的基础上进行的。首先工件底弧面经粗加工后留较大余量，然后在底弧面余量处加工应力释放槽。应力释放槽宽20mm，深度方向留精加工余量，横向均匀开3个槽，纵向中心位置开1个槽，所有槽贯通弧面余量。待底弧面的残余应力经槽应力释放、充分变形后，采用线切割精加工底弧面。开槽法加工方案的工艺流程如图4所示。采用开槽法加工后，底弧面尺寸满足使用需求。通过加工应力释放槽，使底弧面残余应力得到释放，降低了精加工时底弧面的残余应力。精加工后变形量小，变形量控制在±0．2mm范围内，满足使用需求。另外结合线切割加工方案，加工效率得到有效提升。

3．2原因分析开槽法是切削加工前，在工件材料开槽释放工件中残余应力的方法，用于减小加工过程中残余应力释放引起的加工变形。在需要去除材料的部位加工应力释放槽，使大部分的残余应力得以释放，使工件充分变形。并在下一步的加工过程中，把由于应力释放引起的变形加工掉。研究证明，应力释放槽深度产生的变形影响大于宽度产生的变形影响;横向应力释放槽应力释放效果要优于纵向应力释放槽;应力释放槽数目越多，残余应力释放效果越好。因此，在本研究中优先选用横向应力释放槽。加工结果表明开槽法的应用有效地释放了工件内部的残余应力，工件加工变形得以控制。

4结语

随着航空航天工业的高速发展，越来越多的零件采用整体结构加工而成。随之产生的加工变形控制技术，是国内外学者研究的重点。开槽法可以有效地释放工件内部残余应力，减小整体结构件的加工变形。在毛坯残余应力释放过程中，其应用效果尤为显著。由于具有处理时间短、易操作、加工成本低的优点，在小批量生产中具有广阔的应用前景，可广泛用于各类整体结构件残余应力释放、加工变形控制技术中。

对基于开槽法的加工变形控制技术的研究仍处于起步阶段，对应力释放槽结构参数的选择主要依据经验水平。目前主要采用的有限元分析对开槽法的研究，只能针对特定结构和众多影响因素中的某个因素进行，仿真的精度相对较低，只能为加工变形控制提供指导性意见。基于开槽法的加工变形控制技术有待进一步理论研究，应力释放槽的结构参数有待进一步优化。

参考文献

［1］白鹰，金伟英，顾丹．航天大尺寸薄壁圆盘的加工变形控制研究［J］．制造技术与机床，2014(8):122－124．

［2］刘秦龙，华军，贾瑞艳．开槽应力释放法优化整体结构件切削加工研究［J］．机械设计与制造工程，2014，43(4):21－24．

［3］马海营，何宇，李亮，等．基于开槽法的毛坯内应力释放数值研究［J］．中国制造业信息化，2010，39(7):30－33．

［4］马海营．基于开槽法的航空结构件加工变形控制技术研究［D］．南京:南京航空航天大学，2010．

［5］林震宇，刘庆华，黄官平，等．大型铝合金机翼整体壁板加工变形控制技术［J］．航空制造技术，2013(1/2):146－149

作者：崔鑫 郑骥 葛佳 杨程 范大伟 单位：天津航天长征火箭制造有限公司 首都航天机械公司