关于初始残余应力对薄壁回转件加工变形的影响探究

彭应征

摘要：近年来，伴随着我国综合实力的提升，航空工业发展随之也得到了不错的发展。由于飞机与人们的出行安全有着密切的联系，所以，在现代化社会中人们逐渐提高了对飞机性能的要求。薄壁件作为飞机制造的元素之一，虽然薄壁件自身的优势能给飞机制造带来诸多好处，但不可否认的是，其在加工的过程中仍会受到残余应力等因素影响导致变形。基于此，加大对初始残余应力对薄壁回转件加工变形造成的影响研究极为迫切。

关键词：初始残余应力;薄壁回转件;加工变形影响

0  引言

对于薄壁件而言，由于薄壁件自身有着质量小、强度高等优势，所以，薄壁件在不断的推广中被广泛的应用在了飞机制造上。但不可否认由于薄壁件本身的刚性比较弱，所以，在加工的过程中，薄壁件非常容易受到残余应力等诸多因素的影响，继而发生变形，严重的话还会对零件加工的精准度与产品合格率造成影响。经研究调查可知，目前我国对薄壁件残余应力分布与加工变形进行的仿真试验非常多。如：毕云波等人就曾通过有限仿真对初始残余应力以及切削可能给薄板加工造成的影响进行了研究。虽然我国在该方面内容的研究较为丰富，但大部分研究内容都有关薄板零件，对于薄壁回转件加工的定量分析尚且还不够全面。基于此，本文将通过淬火过程与加工变形有限元仿真对该方面内容进行研究，进而为优化加工参数提供数据支持。

1  淬火过程与加工变形有限元仿真

针对淬火过程与加工变形有限元仿真的研究，本文将从以下几个方面对其进行阐述：

1.1 毛坯淬火过程有限元仿真

在该仿真过程中，本文将选取7075铝合金为毛坯，内径为二十厘米，壁厚为一厘米，高度为五厘米。除此之外，在密度与泊松比上本文的取值分别为每立方米二千八百千克与零点三。DC3D8和C3D8R分别是热传导与热应力分析时的网格类型代表，两者的时间大致为两分钟。在该过程中，压应力与只在小范围中存在的拉应力是径向残余应力的基本表现。而上面与下面为压应力反应是周向残余应力的表现。位于中间的是拉应力，拉应力最大值为94.8MPa，通常情况下其拉应力上下为对称分布。

1.2 毛坯加工过程的有限元仿真

在加工过程中有限元仿真中，我们首先需要做到是把仿真过程中得到的残余应力当做新的初始条件，并且需要将其应用到有限元软件中，进行仿真切削加工。从实际的加工过程可知，在切削的时候就已经引入了全新的残余应力，但在引入过程中需要注意的是，深度要浅一些，这样才能保证整个工件在加工过程中变形几率减小，进而才能在不考虑因素对有限元仿真结果造成的影响。最终得到薄壁回转构件变形量的大小。

2  实验过程与结果分析

2.1 残余应力的测量与分析

通过对铝合金毛坯零件分析可知，这类毛坯的厚度通常较大，所以可在没有对加工造成影响的情况下，选用破坏性较小的钻孔法与MTS3000型参与应力分析仪进行测量。具体实施步骤如下：首先需要沿着毛坯外表面中心线角度选取四个点。经过有关验证，通过对残余应力仿真与测量结果的对比，仿真与试验测量结果最小的误差为10.27%，最大的誤差为16.85%。另外，还可从中得出一个结论。即：实际测量得到的结果比仿真测量得到的结果要小得多。而导致该结果偏差的原因主要源于：仿真实验是在一个理想环境中进行的，然而实际测量中的水温是不可能保持恒温不变的，再加上测量中存在的认为因素同样会对最终的仿真结果造成影响，所以，自然会出现实际测量结果小于仿真结果的现象。除此之外，在仿真中，如果铝合金在淬火前，其残余应力为零，而铝合金实际淬火前，其内部就已经存在一定的残余应力了，所以，在完成淬火后，这部分残余应力同样会对自然结果造成影响，而这也是导致实际与仿真结果不一样的原因之一。

2.2 薄壁回转构件的切削过程与变形测量分析

针对该方面内容的分析，本文将从以下几个方面进行：首先，车削加工方案。当数控车床在对毛坯进行加工的时候，即使此时的毛坯厚度非常大，但在经过数控机床加工后毛坯厚度将逐渐变薄，刚性也将慢慢削弱下来。此时，在进行加工过的时候虽然薄壁回转构件会很容易发生变形，但与此同时薄壁回转构件的轴向刚性也将得到一定的提升。因此，就需要选择一个厚度刚好的铝合金圆板把端面压紧，中心可通过螺母与中心轴拧紧。在实际加工的过程中，还需要应用冷却液，降低切削可能对工件变形的影响。其次，加工变形的测量方案。在完成上述所说的工件切削工程之后，首先需要做的是对工件两组路径的径向变形量进行测量。路径一为在外圆等测八个点，然后以起始点为测量零点。路径二为轴向方向依次测量七个点，以中间位置为测量点，并将这两个测量结果与有限元仿真结果进行对比验证。经过有关验证，路径一的径向变形量变化趋势为：先增加，再减少，然后再增加，其中最大的径向变形值为零点一五毫米。而仿真实验中最大的径向变形量为零点一六毫米，而且两者的变化趋势几乎一样。路径二的径向变形量变化趋势为，先减小，再增加，然后呈上小分布对称，其中最大的径向变形值为零点一四毫米，仿真实验的径向最大变形量为0.173毫米。当然，仿真与试验虽然有着很多的相同之处，但不可否认的是两者之间也存在着许多不同。例如：仿真的变形量与实际实验相对，仿真的值要大一些。以上就是有关初始残余应力对薄壁回转件加工变形的影响探究，有关人员需要对其加以重视，进而促使薄壁件得到更好的加工，并保证加工的准确性。

3  结束语

总而言之，通过上述对该方面内容的深入研究可知，有限元模型与方法不仅能够准确得到铝合金淬火残余应力与切削加工的变形，而且对实际切削加工变形等问题具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]张晟.铝合金薄壁件表面应力的逐层表征及在变形描述中的应用[D].中南林业科技大学，2019.

[2]王明海，王朋，郑耀辉，李晓鹏，邵晨峰.初始残余应力对薄壁回转件加工变形的影响[J].组合机床与自动化加工技术，2018（06）：8-11.

[3]王民，刘宇男，孙国智，王萍.初始残余应力和切削残余应力对薄壁件加工变形的影响[J].北京工业大学学报，2017，43（08）：1141-1147.

[4]刘义鹏.铝合金薄壁框架件应力测试方法及分布机制研究[D].中南林业科技大学，2016.

[5]李斌宇.铣削力与残余应力耦合作用下的壁板加工变形技术研究[D].哈尔滨工业大学，2016.