基于開(kāi)槽法的鋼結(jié)構(gòu)件加工變形控制研究

崔　鑫　鄭　驥　葛　佳　楊　程　范大偉

(①天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462；②首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

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基于開(kāi)槽法的鋼結(jié)構(gòu)件加工變形控制研究

崔鑫①鄭驥②葛佳①楊程①范大偉①

(①天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462；②首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

某整體鋼結(jié)構(gòu)件由于材料殘余應(yīng)力大、材料去除量大，導(dǎo)致加工過(guò)程中變形嚴(yán)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(guò)使用需求。通過(guò)研究基于開(kāi)槽法的應(yīng)力釋放技術(shù)，有效地控制了加工后零件的變形程度，提高了產(chǎn)品加工效率。

開(kāi)槽法；殘余應(yīng)力；應(yīng)力釋放；變形控制

為提高結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和韌性、減少裝配工作量，零件越來(lái)越多地采用整體結(jié)構(gòu)加工而成。但是整體結(jié)構(gòu)件毛坯材料多為經(jīng)過(guò)鍛造、軋制、熱處理等工藝加工而成，材料殘余應(yīng)力較大且分布不均。在加工過(guò)程中隨著材料的切除，殘余應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致加工變形。整體結(jié)構(gòu)件的加工變形問(wèn)題是數(shù)控加工領(lǐng)域公認(rèn)的難題。本文通過(guò)采用基于開(kāi)槽法的應(yīng)力釋放技術(shù)，對(duì)某整體鋼結(jié)構(gòu)件的加工變形控制進(jìn)行研究。

1　產(chǎn)品狀態(tài)

某鋼結(jié)構(gòu)件采用30CrMnSiNi2A鋼鍛件整體機(jī)械加工而成，加工中材料去除量高達(dá)89%。毛坯為整體鋼鍛件，由于鍛造過(guò)程經(jīng)過(guò)高溫鍛壓、熱處理等多道工序，原材料殘余應(yīng)力較大，且分布十分不均。

零件底面為直徑超過(guò)5 000mm的弧面，厚16mm，弧長(zhǎng)325mm，零件結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。底弧面為裝配接觸面，因此對(duì)機(jī)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(fā)生加工變形，難以通過(guò)校形來(lái)校正，易導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)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(jīng)粗加工、多次半精加工后留0.5～1mm余量。待底弧面應(yīng)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(shí)際上是對(duì)底弧面殘余應(yīng)力釋放，使其充分變形的過(guò)程。通過(guò)加工過(guò)程中的應(yīng)力釋放，使精加工前工件殘余應(yīng)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(jìn)行多次應(yīng)力釋放，產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)。采用球頭銑刀銑削，刀具與工件為點(diǎn)接觸，走刀路徑為往復(fù)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(zhǎng)，加工效率非常低，刀具磨損嚴(yán)重。

2.2線切割加工方案

線切割加工方案中工件底弧面經(jīng)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(chǎn)品生產(chǎn)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(chǎn)生的生產(chǎn)成本。

但是經(jīng)線切割精加工后，底弧面產(chǎn)生較大變形，變形量達(dá)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(chǎn)品報(bào)廢。

3　改進(jìn)加工方案

3.1開(kāi)槽法加工方案

基于開(kāi)槽法的加工方案是在線切割加工方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。首先工件底弧面經(jīng)粗加工后留較大余量，然后在底弧面余量處加工應(yīng)力釋放槽。應(yīng)力釋放槽寬20mm，深度方向留精加工余量，橫向均勻開(kāi)3個(gè)槽，縱向中心位置開(kāi)1個(gè)槽，所有槽貫通弧面余量。待底弧面的殘余應(yīng)力經(jīng)槽應(yīng)力釋放、充分變形后，采用線切割精加工底弧面。開(kāi)槽法加工方案的工藝流程如圖4所示。

采用開(kāi)槽法加工后，底弧面尺寸滿足使用需求。通過(guò)加工應(yīng)力釋放槽，使底弧面殘余應(yīng)力得到釋放，降低了精加工時(shí)底弧面的殘余應(yīng)力。精加工后變形量小，變形量控制在±0.2mm范圍內(nèi)，滿足使用需求。另外結(jié)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(kāi)槽法是切削加工前，在工件材料開(kāi)槽釋放工件中殘余應(yīng)力的方法，用于減小加工過(guò)程中殘余應(yīng)力釋放引起的加工變形。在需要去除材料的部位加工應(yīng)力釋放槽，使大部分的殘余應(yīng)力得以釋放，使工件充分變形。并在下一步的加工過(guò)程中，把由于應(yīng)力釋放引起的變形加工掉。

研究證明，應(yīng)力釋放槽深度產(chǎn)生的變形影響大于寬度產(chǎn)生的變形影響；橫向應(yīng)力釋放槽應(yīng)力釋放效果要優(yōu)于縱向應(yīng)力釋放槽；應(yīng)力釋放槽數(shù)目越多，殘余應(yīng)力釋放效果越好。因此，在本研究中優(yōu)先選用橫向應(yīng)力釋放槽。加工結(jié)果表明開(kāi)槽法的應(yīng)用有效地釋放了工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，工件加工變形得以控制。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著航空航天工業(yè)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的零件采用整體結(jié)構(gòu)加工而成。隨之產(chǎn)生的加工變形控制技術(shù)，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。開(kāi)槽法可以有效地釋放工件內(nèi)部殘余應(yīng)力，減小整體結(jié)構(gòu)件的加工變形。在毛坯殘余應(yīng)力釋放過(guò)程中，其應(yīng)用效果尤為顯著。由于具有處理時(shí)間短、易操作、加工成本低的優(yōu)點(diǎn)，在小批量生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，可廣泛用于各類整體結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力釋放、加工變形控制技術(shù)中。

對(duì)基于開(kāi)槽法的加工變形控制技術(shù)的研究仍處于起步階段，對(duì)應(yīng)力釋放槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)水平。目前主要采用的有限元分析對(duì)開(kāi)槽法的研究，只能針對(duì)特定結(jié)構(gòu)和眾多影響因素中的某個(gè)因素進(jìn)行，仿真的精度相對(duì)較低，只能為加工變形控制提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。基于開(kāi)槽法的加工變形控制技術(shù)有待進(jìn)一步理論研究，應(yīng)力釋放槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化。

[1]白鷹，金偉英，顧丹.航天大尺寸薄壁圓盤(pán)的加工變形控制研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014(8)：122-124.

[2]劉秦龍，華軍，賈瑞艷.開(kāi)槽應(yīng)力釋放法優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)件切削加工研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014，43(4)：21-24.

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Study on machining distortion control for steel monolithic component based on slotting method

CUI Xin①, ZHENG Ji②, GE Jia①, YANG Cheng①， FAN Dawei①

(①TianjinLongMarchLaunchVehicleManufacturingCo.,Ltd.,Tianjin300462,CHN;②CapitalAerospaceMachineryCompany,Beijing100076,CHN)

Becauseoflargeresidualstressandlargeremovalofthematerial,asteelmonolithiccomponentappearsseriousmachiningdistortion,andthemanufacturingefficiencyisverylow.Wetrytouseamassremovalprocessplantosolvetheseproblems.However,themachining-distortedextentisoutofdesignrequirements.Inthisarticle,themachiningdistortioncontroliswellachievedthroughexploringstressreleasebasedonslottingmethod,andthemanufacturingefficiencyisimproved.

slottingmethod;residualstress;stressrelease;distortioncontrol

TG501；TH161文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

崔鑫，男，1987年生，碩士研究生，工程師，從事航天整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控精密加工工藝技術(shù)研究。

(編輯李靜)(2015-08-18)

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