基于開槽法的鋼結(jié)構(gòu)件加工變形控制研究

崔　鑫　鄭　驥　葛　佳　楊　程　范大偉

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

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基于開槽法的鋼結(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天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462；②首都航天機械公司，北京 100076)

某整體鋼結(jié)構(gòu)件由于材料殘余應力大、材料去除量大，導致加工過程中變形嚴重，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使用需求。通過研究基于開槽法的應力釋放技術，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。

開槽法；殘余應力；應力釋放；變形控制

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

1　產(chǎn)品狀態(tài)

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

零件底面為直徑超過5 000mm的弧面，厚16mm，弧長325mm，零件結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。底弧面為裝配接觸面，因此對機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，難以通過校形來校正，易導致產(chǎn)品報廢。

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際上是對底弧面殘余應力釋放，使其充分變形的過程。通過加工過程中的應力釋放，使精加工前工件殘余應力減小，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，進行多次應力釋放，產(chǎn)品生產(chǎn)周期長。采用球頭銑刀銑削，刀具與工件為點接觸，走刀路徑為往復形式。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，加工效率非常低，刀具磨損嚴重。

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)品報廢。

3　改進加工方案

3.1開槽法加工方案

基于開槽法的加工方案是在線切割加工方案的基礎上進行的。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力釋放槽。應力釋放槽寬20mm，深度方向留精加工余量，橫向均勻開3個槽，縱向中心位置開1個槽，所有槽貫通弧面余量。待底弧面的殘余應力經(jīng)槽應力釋放、充分變形后，采用線切割精加工底弧面。開槽法加工方案的工藝流程如圖4所示。

采用開槽法加工后，底弧面尺寸滿足使用需求。通過加工應力釋放槽，使底弧面殘余應力得到釋放，降低了精加工時底弧面的殘余應力。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

開槽法是切削加工前，在工件材料開槽釋放工件中殘余應力的方法，用于減小加工過程中殘余應力釋放引起的加工變形。在需要去除材料的部位加工應力釋放槽，使大部分的殘余應力得以釋放，使工件充分變形。并在下一步的加工過程中，把由于應力釋放引起的變形加工掉。

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

4　結(jié)語

隨著航空航天工業(yè)的高速發(fā)展，越來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，是國內(nèi)外學者研究的重點。開槽法可以有效地釋放工件內(nèi)部殘余應力，減小整體結(jié)構(gòu)件的加工變形。在毛坯殘余應力釋放過程中，其應用效果尤為顯著。由于具有處理時間短、易操作、加工成本低的優(yōu)點，在小批量生產(chǎn)中具有廣闊的應用前景，可廣泛用于各類整體結(jié)構(gòu)件殘余應力釋放、加工變形控制技術中。

對基于開槽法的加工變形控制技術的研究仍處于起步階段，對應力釋放槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇主要依據(jù)經(jīng)驗水平。目前主要采用的有限元分析對開槽法的研究，只能針對特定結(jié)構(gòu)和眾多影響因素中的某個因素進行，仿真的精度相對較低，只能為加工變形控制提供指導性意見?；陂_槽法的加工變形控制技術有待進一步理論研究，應力釋放槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)有待進一步優(yōu)化。

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

[2]劉秦龍，華軍，賈瑞艷.開槽應力釋放法優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)件切削加工研究[J].機械設計與制造工程，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文獻識別碼：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研究。

(編輯李靜)(2015-08-18)

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