液壓閥柔性桿17-4PH 棒料初始殘余應力及加工變形試驗研究

摘 要：液壓閥柔性桿是液壓伺服閥的關鍵零件，負責串連多種零組件，起到重要的連接作用。作為典型的弱剛度零件，此類零件普遍存在加工變形超差的問題?，F有的研究主要集中在切削加工過程中控制零件變形方面，本文主要研究17-4PH不銹鋼棒料不同材料批次、熱處理條件下的初始殘余應力及其對加工變形的影響。通過X射線衍射法，測量了不同批次棒料不同熱處理工藝下的軸向和周向初始殘余應力，分析了殘余應力分布規律及材料批次和熱處理工藝對殘余應力的影響。通過切削試驗，探究了材料批次和熱處理工藝對零件最終加工變形的影響，得到了優選的材料批次和熱處理工藝，為高精高效加工液壓柔性桿提供了參考。

關鍵詞：初始殘余應力； 弱剛度； 變形控制； 17-4PH不銹鋼； X射線衍射

中圖分類號：TH142.2 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.011

液壓閥柔性桿作為飛控系統中電液伺服閥的關鍵零件，連接直線力矩馬達和液壓滑閥，起到將電信號產生位移轉換為液壓信號的重要作用。柔性桿微小的尺寸和形位變化會導致電液伺服閥性能變化，嚴重時造成卡滯等故障。柔性桿長徑比高達100，直線度要求全長0.1mm，屬于極弱剛度零件，在制造過程中易產生加工變形和尺寸不穩定[1]問題，進而導致零部件的額外返工、校正甚至報廢，極大地影響了生產效率，增加了生產成本。因此，其加工變形問題一直是高性能液壓伺服閥研制面臨的嚴峻挑戰之一。

初始殘余應力是影響此類弱剛度零件變形的重要因素[2]，國內外學者針對此類問題進行了多方面的研究，Nervi等[3]建立了一種數學模型，精確預測了鋁板制造的機身部件因板材制造過程中引入的殘余應力而引起的變形，最大預測誤差在40%以內。El-Axir[4]提出了一種車削表面最大殘余應力的預測模型，重點研究了加工參數對殘余應力分布的影響建模。葉海潮等[5]通過對原始材料內殘余應力分布及力學特性的研究，對加工位置進行優選與原方法比較減少了零件90%以上的變形。朱亞民[6]建立了初始應力影響物體變形的通用模型，其結果更接近實測結果，比傳統的彎曲模型預測精度提高了10%以上。華中科技大學毛寬民教授團隊[7]提出了一種通過表面殘余應力預測內部殘余應力的方法，該方法避免了對零件造成破壞，為變形研究提供了一種新的途徑。南京航空航天大學何寧教授團隊[8]在弱剛度薄壁件變形預測中考慮了薄板表層應力耦合作用，提高了殘余應力預測和仿真的精度，并提出了通過優化余量分配和加工路徑加速應變能轉化減小加工變形的工藝方法。南昌航空大學秦國華教授團隊[9]研究了初始殘余應力與初始幾何誤差的耦合影響，提出了一種優化模型的步長遞減算法，使加工的變形相較于原工藝減少了83%。

目前的研究主要集中于對殘余應力的預測、加工及加工過程的優化，進而減少殘余應力釋放后零件的變形，而不同批次、不同熱處理方式棒料的材料特性有較為明顯的差異，目前對此方面的研究較少。因此，本文通過試驗探究不同批次的原材料初始殘余應力分布和特性，探究不同熱處理方式對材料初始殘余應力的影響，以及這些影響因素對柔性桿加工變形的影響。為高效高精度加工此類零件時選取合理的加工原料和熱處理方式提供參考。