基于开槽法的钢结构件加工变形控制研究

2016-08-31范大伟

制造技术与机床 2016年3期

关键词：弧面结构件精加工

崔　鑫　郑　骥　葛　佳　杨　程　范大伟

(①天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462；②首都航天机械公司，北京 100076)

基于开槽法的钢结构件加工变形控制研究

崔鑫①郑骥②葛佳①杨程①范大伟①

(①天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462；②首都航天机械公司，北京 100076)

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。

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5 000mm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。

[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

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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