1、引言
鋯合金薄板零件主要應(yīng)用于核反應(yīng)堆部件或航天器結(jié)構(gòu),對(duì)加工精度有嚴(yán)格要求,但由于薄壁結(jié)構(gòu)特性,加工過(guò)程中極易受殘余應(yīng)力影響產(chǎn)生變形,從而影響尺寸精度和服役性能。因此,研究殘余應(yīng)力對(duì)鋯合金薄板加工變形的影響及控制方法對(duì)于滿足實(shí)際工程需求具有重要意義[1]。根據(jù)形成機(jī)理,引起鋯合金薄壁件加工變形的殘余應(yīng)力可分為初始?xì)堄鄳?yīng)力和加工誘發(fā)殘余應(yīng)力。
鋯合金薄板零件整體變形的影響因素非常復(fù)雜[3],在零件加工前,毛坯經(jīng)軋制、退火后,內(nèi)部殘余應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。在銑削加工過(guò)程中,零件表層材料被去除[4-5],導(dǎo)致初始?xì)堄鄳?yīng)力釋放,零件整體變形較大。GaoH.等[6]研究了初始?xì)堄鄳?yīng)力和等效彎曲剛度對(duì)薄壁件變形的影響。ZhengJ.Y.等研究了初始?xì)堄鄳?yīng)力和刀具軌跡策略對(duì)薄壁鋁件變形的影響。LiX.等[8]分析了初始?xì)堄鄳?yīng)力與精加工余量之間的關(guān)系,建立了薄壁件的變形預(yù)測(cè)模型。同時(shí),銑削過(guò)程中發(fā)生的不均勻的塑性變形與溫度變化會(huì)引入新的殘余應(yīng)力,即銑削殘余應(yīng)力。ZhangZ.等利用新的加工殘余應(yīng)力計(jì)算方法建立了薄壁件的變形預(yù)測(cè)模型。LiY.等[10]將加工殘余應(yīng)力作為等效扭矩,研究了加工殘余應(yīng)力對(duì)薄壁板變形的影響。ZhouJ.等用雙曲正切函數(shù)表示端銑加工殘余應(yīng)力分布,建立了薄板殘余應(yīng)力剖面與彎曲撓度的映射關(guān)系。
兩種殘余應(yīng)力的共同作用使零件在加工過(guò)程中的整體變形難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè),導(dǎo)致零件的加工精度降低,影響裝配甚至產(chǎn)生不合格品,增加制造成本。零件加工完成后,經(jīng)一段時(shí)間的時(shí)效,內(nèi)部殘余應(yīng)力緩慢釋放引起新的變形,降低零件的精度保持性,影響產(chǎn)品的使用性能。
綜上所述,本文以鋯合金[12]為研究對(duì)象,考慮鋯合金薄壁零件初始應(yīng)力及變形狀態(tài),開展銑削加工試驗(yàn),通過(guò)采集銑削過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù),獲取不同參數(shù)下的鋯合金薄壁件銑削表面殘余應(yīng)力和零件變形數(shù)據(jù)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,在考慮鋯合金薄壁件初始狀態(tài)的條件下獲得面向最小加工變形的最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。
2、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
2.1原材料及裝夾方案
原材料選用9塊尺寸為195mm×57.8mm×4.5mm的鋯合金板材。試驗(yàn)夾具主要包括底板夾具和固定夾具,底板夾具要求在夾緊狀態(tài)下測(cè)量殘余應(yīng)力,因此需要設(shè)計(jì)能和零件從測(cè)力計(jì)一同被拆卸下來(lái)的底板夾具。固定夾具將零件固定在底板夾具上,且加工時(shí)不與刀具發(fā)生干涉,測(cè)量應(yīng)力時(shí)不與探頭發(fā)生干涉。兩個(gè)孔用于螺栓連接,槽用于壓住零件以及在夾具發(fā)生變形后將零件扣住,夾具總厚度為6mm,中間槽深為2mm。

2.2加工方案設(shè)計(jì)
為了解各因素及其相互作用對(duì)薄板殘余應(yīng)力及變形分布的影響,設(shè)計(jì)9組三因素三水平正交試驗(yàn)。所有鋯合金薄板試品在加工前均通過(guò)退火和時(shí)效處理,使其應(yīng)力狀態(tài)趨于一致,從而避免因初始應(yīng)力不均而引入的誤差。涉及到的工藝參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)速、前傾角、側(cè)傾角、每齒進(jìn)給量、切削深度和路徑間距等。其中,主軸轉(zhuǎn)速為主軸每分鐘旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù),前傾角為刀具在XOZ平面上與Z軸的夾角,側(cè)傾角為刀具在YOZ平面上與Z軸的夾角,每齒進(jìn)給量為多齒銑刀每旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)銑刀相對(duì)工件在進(jìn)給方向上的位移,切削深度為切削工件時(shí)已加工表面與待加工表面之間的垂直距離,路徑間距為每條路徑之間相隔的距離。本試驗(yàn)中,工藝參數(shù)變量為主軸轉(zhuǎn)速、前傾角和側(cè)傾角,保持切削深度為2mm、每齒進(jìn)給量為0.09mm/z、切削寬度為0.3mm。為了避免刀具姿態(tài)導(dǎo)致加工干涉,選擇高度較小的固定螺栓進(jìn)行固定。采用直徑為10mm的球刀進(jìn)行切削加工,在DMU60MonoBlock五軸加工中心上進(jìn)行試驗(yàn),加工時(shí)施加冷卻液。基于工程經(jīng)驗(yàn),選擇五軸銑削加工中心對(duì)殘余應(yīng)力有顯著影響的刀具姿態(tài)和主軸轉(zhuǎn)速作為輸入變量,保持其他工藝參數(shù)不變,具體工藝參數(shù)如表1所示。

表1加工試驗(yàn)參數(shù)
| 編號(hào) | 轉(zhuǎn)速(r/min) | 前傾角(°) | 側(cè)傾角(°) | 每齒進(jìn)給量(mm/z) | 切削深度(mm) | 路徑間距(mm) |
| 1 | 4000 | 0 | 0 | 0.09 | 2 | 0.3 |
| 2 | 4000 | 10 | 10 | 0.09 | 2 | 0.3 |
| 3 | 4000 | 20 | 20 | 0.09 | 2 | 0.3 |
| 4 | 5000 | 0 | 10 | 0.09 | 2 | 0.3 |
| 5 | 5000 | 10 | 20 | 0.09 | 2 | 0.3 |
| 6 | 5000 | 20 | 0 | 0.09 | 2 | 0.3 |
| 7 | 6000 | 0 | 20 | 0.09 | 2 | 0.3 |
| 8 | 6000 | 10 | 0 | 0.09 | 2 | 0.3 |
| 9 | 6000 | 20 | 10 | 0.09 | 2 | 0.3 |
2.3信號(hào)測(cè)量方案
加工前在裝夾狀態(tài)下測(cè)量零件的初始應(yīng)力,測(cè)量設(shè)備采用PROTOXRD應(yīng)力儀。加工過(guò)程中采用測(cè)力計(jì)測(cè)量加工過(guò)程中的力信號(hào),采用紅外熱像儀測(cè)量溫度信號(hào),采用麥克風(fēng)測(cè)量噪音信號(hào),采用功率表測(cè)量功率信號(hào)。加工后立即測(cè)量夾緊狀態(tài)下零件加工區(qū)域的殘余應(yīng)力,測(cè)完應(yīng)力之后松開裝夾,在Leitzpmm-C三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上測(cè)量零件在Z方向的變形,為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性,應(yīng)力與變形保證在一周內(nèi)完成測(cè)量。加工完成后,對(duì)加工薄壁件進(jìn)行時(shí)效處理,即放置于室溫保存箱內(nèi)保存30天,隨后對(duì)薄壁件加工區(qū)域的應(yīng)力和變形再次進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)應(yīng)力測(cè)量區(qū)域與測(cè)量點(diǎn),考慮過(guò)渡區(qū)域?qū)挾取⒐潭▕A具寬度及應(yīng)力儀器測(cè)量干涉區(qū)域,設(shè)置中間區(qū)域長(zhǎng)度為120mm,寬度為44mm,長(zhǎng)度方向測(cè)量7個(gè)點(diǎn),點(diǎn)間距為20mm,寬度方向測(cè)量5個(gè)點(diǎn),點(diǎn)間距為11mm,每塊零件測(cè)量35個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

3、鋯合金薄壁件加工變形規(guī)律
基于設(shè)計(jì)的加工參數(shù),分析不同工藝參數(shù)條件下的9組薄壁件變形情況。對(duì)薄壁件平面試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以矩形薄壁件四角的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)點(diǎn)建立基準(zhǔn)面。在平面位置內(nèi)任意點(diǎn)處(由X和Y坐標(biāo)位置決定),薄壁件平面試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)與基準(zhǔn)面的相對(duì)高度差即為薄壁件的加工變形值,依次對(duì)9組試驗(yàn)進(jìn)行分析,加工前、加工后和時(shí)效后的最大、平均變形值匯總結(jié)果如表2所示。
對(duì)各種加工參數(shù)組合下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行主效應(yīng)分析。加工后和時(shí)效后的薄壁件最大變形和平均變形隨工藝參數(shù)變化的趨勢(shì)基本相同,且隨著轉(zhuǎn)速、前傾角和側(cè)傾角的增大而單調(diào)遞減。側(cè)傾角對(duì)薄壁件加工變形最大值和均值的影響最大,側(cè)傾角從0°增大至20°的過(guò)程中,變形最大值從0.108mm減小至0.041mm,均值從0.053mm減小至0.013mm。時(shí)效后的薄壁件變形最大值受轉(zhuǎn)速影響最大,轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min增大至6000r/min的過(guò)程中,變形最大值從0.099mm減小至0.054mm,均值受側(cè)傾角影響最大,側(cè)傾角從0°增大至20°的過(guò)程中,變形均值從0.048mm減小至0.018mm。
對(duì)試驗(yàn)參數(shù)1條件下的薄壁件變形情況進(jìn)行分析。加工前零件表面沿著寬度方向發(fā)生傾斜,這是由于獲取基準(zhǔn)平面的過(guò)程中,薄壁件四周的點(diǎn)并不處于同一水平面內(nèi),造成基準(zhǔn)平面的傾斜,進(jìn)而影響相對(duì)高度差的計(jì)算。加工完成后薄壁件沿著Z軸正方向發(fā)生較大的變形,薄壁件的加工變形主要表現(xiàn)在薄壁件長(zhǎng)度方向(薄壁件長(zhǎng)度方向幾何尺寸較大),寬度方向產(chǎn)生的變形量較小。時(shí)效后薄壁件的變形相比于加工后的變形有所減小,由試驗(yàn)結(jié)果可以觀察到沿薄壁件寬度方向的凸起變形有所下降。


表2加工參數(shù)及變形結(jié)果
| 編號(hào) | 轉(zhuǎn)速(r/min) | 前傾角(°) | 側(cè)傾角(°) | 加工前最大變形值(mm) | 加工前平均變形值(mm) | 加工后最大變形值(mm) | 加工后平均變形值(mm) | 時(shí)效后最大變形值(mm) | 時(shí)效后平均變形值(mm) |
| 1 | 4000 | 0 | 0 | 0.011 | 0.004 | 0.196 | 0.104 | 0.183 | 0.095 |
| 2 | 4000 | 10 | 10 | 0.072 | 0.032 | 0.054 | 0.021 | 0.055 | 0.020 |
| 3 | 4000 | 20 | 20 | 0.074 | 0.033 | 0.042 | 0.014 | 0.059 | 0.013 |
| 4 | 5000 | 0 | 10 | 0.026 | 0.010 | 0.060 | 0.021 | 0.066 | 0.025 |
| 5 | 5000 | 10 | 20 | 0.023 | 0.006 | 0.048 | 0.017 | 0.059 | 0.019 |
| 6 | 5000 | 20 | 0 | 0.059 | 0.027 | 0.073 | 0.033 | 0.059 | 0.027 |
| 7 | 6000 | 0 | 20 | 0.013 | 0.005 | 0.033 | 0.009 | 0.057 | 0.021 |
| 8 | 6000 | 10 | 0 | 0.049 | 0.023 | 0.056 | 0.022 | 0.057 | 0.021 |
| 9 | 6000 | 20 | 10 | 0.059 | 0.028 | 0.044 | 0.021 | 0.047 | 0.020 |
對(duì)試驗(yàn)參數(shù)2條件下的薄壁件變形情況進(jìn)行分析。加工前薄壁件沿著Z軸正方向產(chǎn)生凸起變形,加工后薄壁件沿著Z軸正方向發(fā)生的凸起變形下降0.018mm。薄壁件加工變形主要由長(zhǎng)度方向的凸起變形決定,但寬度方向產(chǎn)生了較小的凹陷變形,導(dǎo)致薄壁件呈現(xiàn)出馬鞍面的變形狀態(tài)。時(shí)效后薄壁件變形幾乎與加工后變形相同,依然呈現(xiàn)馬鞍面的變形狀態(tài)。

對(duì)試驗(yàn)參數(shù)3條件下的薄壁件變形情況進(jìn)行分析。加工前薄壁件沿著Z軸正方向產(chǎn)生凸起變形,加工后薄壁件沿著Z軸正方向的凸起變形顯著減小,但是薄壁件寬度方向的凹變形顯著增加,導(dǎo)致薄壁件呈現(xiàn)出更加顯著的馬鞍面變形。除此之外,薄壁件四周的幾何尺寸點(diǎn)明顯不處于相同的平面內(nèi),這表示薄壁件沿著長(zhǎng)度方向發(fā)生了一定的扭曲變形。時(shí)效后薄壁件變形相比于加工后的增大0.017mm,馬鞍面變形情況有所緩解,但在靠近薄壁件寬邊附近依然存在較大的變形。

對(duì)試驗(yàn)參數(shù)4條件下的薄壁件變形情況進(jìn)行分析。加工前零件初始變形較小,沿著Z軸負(fù)方向產(chǎn)生凹陷變形,但沿著薄壁件寬度方向存在一定的凸起變形,導(dǎo)致薄壁件邊緣處翹起。加工后薄壁件沿著Z軸正方向發(fā)生較大的變形,薄壁件由凹陷變形變?yōu)橥蛊鹱冃危页尸F(xiàn)出馬鞍面的變化形式。時(shí)效后薄壁件變形相比于加工后的有細(xì)微增大,增量為0.006mm,證明自然時(shí)效處理并未減小薄壁件加工產(chǎn)生的變形。薄壁件沿著寬度方向的凹陷變形減小,馬鞍面變形平緩。

對(duì)試驗(yàn)參數(shù)5條件下的薄壁件變形情況進(jìn)行分析。加工前零件的整體加工變形較小,但是在薄壁件長(zhǎng)邊和寬邊交匯處發(fā)生了較大的翹折。相比于加工前,加工后薄壁件沿著Z軸正方向發(fā)生較大的變形,增量為0.025mm,薄壁件呈現(xiàn)出馬鞍面的變形形式。時(shí)效后薄壁件的變形相比于加工后的增大0.011mm,雖然薄壁件整體變形增大,但其馬鞍面變形成都相比時(shí)效前的有所平緩。

對(duì)試驗(yàn)參數(shù)6條件下的薄壁件變形情況進(jìn)行分析。加工前薄壁件沿著Z軸正方向發(fā)生凸起變形,由曲面的兩條寬邊對(duì)稱的傾斜情況可以推測(cè)出薄壁件在初始狀態(tài)下沿著長(zhǎng)邊方向存在一定的扭轉(zhuǎn)變形;加工后薄壁件沿著Z軸正方向的變形量增大0.014mm,薄壁件的扭轉(zhuǎn)變形情況相較于加工前的更加顯著。時(shí)效后薄壁件變形相比于加工后的減小了0.014mm,并且恢復(fù)至加工前水平,但薄壁件呈現(xiàn)出較明顯的馬鞍面變形。

對(duì)試驗(yàn)參數(shù)7條件下的薄壁件變形情況進(jìn)行分析。加工前零件變形較小,主要沿Z軸負(fù)方向發(fā)生凹陷變形,且沿著薄壁件寬度方向出現(xiàn)褶皺。相比于加工前,加工后薄壁件加工變形增大了0.02mm,零件沿著Z軸正方向發(fā)生凸起變形,薄壁件呈現(xiàn)出馬鞍面的變形特點(diǎn)。時(shí)效后薄壁件的變形相比于加工后進(jìn)一步增大,增量為0.024mm,薄壁件依然呈現(xiàn)出馬鞍面變形的特點(diǎn)。

對(duì)試驗(yàn)參數(shù)8條件下的薄壁件變形情況進(jìn)行分析。加工前零件沿著Z軸正方向產(chǎn)生凸起變形。加工后薄壁件沿著Z軸正方向變形量有所增大,增量為0.007mm,薄壁件呈現(xiàn)出馬鞍面變形特點(diǎn),然而馬鞍面主要表現(xiàn)在薄壁件中央位置。時(shí)效后薄壁件的變形保持在加工后的水平,且馬鞍面變形由僅出現(xiàn)在薄壁件中央位置變?yōu)檠刂”诩庸っ嬲w分布。

對(duì)試驗(yàn)參數(shù)9條件下的薄壁件變形情況進(jìn)行分析。加工前零件沿著Z軸正方向發(fā)生凸起變形,且由曲面寬度方向的邊界區(qū)域可知,薄壁件同時(shí)存在一定的扭轉(zhuǎn)變形。加工后薄壁件沿著Z軸正方向變形量有所減小,減小量為0.015mm。對(duì)曲面特定結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),曲面頂部區(qū)域曲率較小,這表明薄壁件加工變形量的減小主要由薄壁件中央部位變形的減小而導(dǎo)致。時(shí)效后薄壁件的變形相比于加工后的有細(xì)微增大,薄壁件由加工后僅沿著Z軸正方向發(fā)生凸起變形變?yōu)轳R鞍面變形特點(diǎn)。

進(jìn)一步分析上述試驗(yàn)結(jié)果可知:(1)加工前薄壁件的變形主要表現(xiàn)為沿Z軸正方向的凸起或負(fù)方向的凹陷變形,并伴隨一定程度的長(zhǎng)度方向扭轉(zhuǎn)變形及寬度方向的翹曲。不同試驗(yàn)參數(shù)下,加工前的最大變形范圍為0.011~0.074mm,平均變形范圍為0.004~0.033mm,初始狀態(tài)對(duì)基準(zhǔn)面建立及后續(xù)變形測(cè)量有顯著影響;(2)薄壁件加工完成后沿Z軸正方向的變形顯著增大,呈現(xiàn)出由凹陷變形向凸起變形的過(guò)渡。變形的主導(dǎo)方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向,寬度方向的變形量較小但形成馬鞍面特征。加工完成后零件的最大變形范圍為0.033~0.196mm,平均變形范圍為0.009~0.104mm。長(zhǎng)邊和寬邊交匯處以及邊緣區(qū)域的變形尤為顯著,顯示幾何結(jié)構(gòu)和材料分布對(duì)加工變形的敏感性;(3)自然時(shí)效處理后,薄壁件的變形量變化呈現(xiàn)兩種趨勢(shì)。部分試驗(yàn)條件下,時(shí)效處理減小了加工后Z軸正方向的變形量,尤其是扭轉(zhuǎn)變形和寬度方向的凹陷變形得到一定緩解,另一些條件下,時(shí)效處理增大了變形量,但變形分布趨于平緩。整體上,時(shí)效后的最大變形范圍為0.047~0.183mm,平均變形范圍為0.013~0.095mm,表明自然時(shí)效對(duì)加工變形的平衡作用有限;(4)加工完成及時(shí)效后,馬鞍面變形成為薄壁件變形的典型特征,其形成主要與材料去除過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力的釋放及零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。
4、初始應(yīng)力釋放對(duì)鋯合金薄壁件加工變形的影響規(guī)律
綜合比較9組薄壁件應(yīng)力釋放對(duì)變形的影響情況,可得到以下結(jié)果:1號(hào)薄壁件加工前一加工后一時(shí)效后的最大變形量呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì),Y方向應(yīng)力極差和Y方向最大應(yīng)力與該最大變形變化趨勢(shì)相同;2號(hào)薄壁件加工前一加工后一時(shí)效后的最大變形量呈現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì),Y方向應(yīng)力極差、Y方向最大應(yīng)力、Y方向應(yīng)力方差、Y方向應(yīng)力均值和X方向應(yīng)力方差與該最大變形變化趨勢(shì)相同;4號(hào)薄壁件加工前一加工后一時(shí)效后的最大變形量呈現(xiàn)出增大的變化趨勢(shì),X方向應(yīng)力均值和X方向最小應(yīng)力與該最大變形變化趨勢(shì)相同;5號(hào)薄壁件加工前一加工后一時(shí)效后的最大變形量呈現(xiàn)出增大的變化趨勢(shì),Y方向應(yīng)力均值、Y方向最小應(yīng)力和X方向最小應(yīng)力與該最大變形變化趨勢(shì)相同;7號(hào)薄壁件加工前一加工后一時(shí)效后的最大變形量呈現(xiàn)出增大的變化趨勢(shì),Y方向最小應(yīng)力與該最大變形變化趨勢(shì)相同;8號(hào)薄壁件加工前一加工后一時(shí)效后的最大變形量呈現(xiàn)出增大的變化趨勢(shì),Y方向應(yīng)力均值、Y方向最小應(yīng)力、X方向應(yīng)力方差和X方向應(yīng)力均值與該最大變形變化趨勢(shì)相同。

薄壁件的最大變形量在加工前、加工后和時(shí)效后呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì),具體變化與應(yīng)力分布特征密切相關(guān),如應(yīng)力極差、最大應(yīng)力和應(yīng)力方差等。多數(shù)薄壁件的最大變形趨勢(shì)與Y方向應(yīng)力特征(如極差、最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、均值和方差)的變化一致,表明Y方向應(yīng)力是影響薄壁件變形的主要因素。
基于試驗(yàn)工藝參數(shù)對(duì)薄壁件變形和殘余應(yīng)力的影響分析可得:(1)工藝參數(shù)顯著影響加工變形特性。初始變形較小的條件(如參數(shù)4和5)易控制變形幅度,但馬鞍面特征仍存在;初始凸起或扭轉(zhuǎn)較大的條件(如參數(shù)3和6)加工變形顯著,需優(yōu)化參數(shù)以降低變形;(2)隨著主軸轉(zhuǎn)速增大,加工后及時(shí)效后最大變形量均減小;前傾角增大時(shí),加工變形量先減小后保持不變,時(shí)效變形量先減小后增大;側(cè)傾角增大,加工變形量減小,時(shí)效變形量先減小后增大;(3)采用主軸轉(zhuǎn)速為5000~6000r/min、前傾角為10°或側(cè)傾角為20°的參數(shù)時(shí),應(yīng)力與變形關(guān)聯(lián)明顯。最小變形對(duì)應(yīng)最佳組合為主軸轉(zhuǎn)速6000r/min、前傾角20°和側(cè)傾角10°;(4)側(cè)傾角為0°時(shí)易獲得較小的應(yīng)力均值;主軸轉(zhuǎn)速為5000r/min、前傾角為20°或側(cè)傾角為20°時(shí)易獲得較小的應(yīng)力極差;(5)時(shí)效后不同參數(shù)下的應(yīng)力表現(xiàn)不同。如主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min、前傾角為0°、側(cè)傾角為0°時(shí),X方向壓應(yīng)力較大;主軸轉(zhuǎn)速為6000r/min、前傾角為20°、側(cè)傾角為0°時(shí),Y方向壓應(yīng)力較大。
5、結(jié)論
通過(guò)處理銑削加工前、銑削加工后以及自然時(shí)效后的薄壁件銑削表面殘余應(yīng)力以及薄壁件加工變形數(shù)據(jù),分析初始應(yīng)力分布以及薄壁件加工變形的變化規(guī)律,探究鋯合金薄壁件初始應(yīng)力釋放對(duì)變形的影響規(guī)律,得到以下結(jié)論。
(1)薄壁件加工完成后變形量顯著增大,主要表現(xiàn)為沿Z軸正方向的凸起和長(zhǎng)度方向的馬鞍面特征,寬度方向變形較小但顯著影響整體形態(tài)。證明了加工變形受材料內(nèi)應(yīng)力釋放和零件幾何特性的影響顯著。
(2)不同工藝參數(shù)對(duì)變形特性影響顯著,初始狀態(tài)變形較小的條件更有利于控制加工變形,而較大初始凸起或扭轉(zhuǎn)變形的條件易導(dǎo)致更嚴(yán)重的變形。這為通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)有效調(diào)控薄壁件的變形幅度和形態(tài)提供了可能。
(3)薄壁件的最大變形量在加工前、加工后和時(shí)效后呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì),具體變化與應(yīng)力分布特征密切相關(guān),如應(yīng)力極差、最大應(yīng)力和應(yīng)力方差等。多數(shù)薄壁件的最大變形趨勢(shì)與Y方向應(yīng)力特征(如極差、最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、均值和方差)的變化一致,表明Y方向應(yīng)力是影響薄壁件變形的主要因素。
(4)工藝參數(shù)顯著影響薄壁件的變形和殘余應(yīng)力特性,其中主軸轉(zhuǎn)速為6000r/min、前傾角為20°、側(cè)傾角為10°為最優(yōu)組合,可顯著減小加工后和時(shí)效后的變形,同時(shí)側(cè)傾角為0°有助于獲得較小的應(yīng)力均值,而特定條件下(如主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min或6000r/min),X或Y方向壓應(yīng)力表現(xiàn)突出。
(5)為實(shí)現(xiàn)鋯合金薄壁件高精度加工,五軸銑削需具備精密運(yùn)動(dòng)控制與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,但薄壁件加工精度仍受多維耦合效應(yīng)制約:材料低導(dǎo)熱性與弱剛性薄壁結(jié)構(gòu)的交互作用,導(dǎo)致熱一力耦合場(chǎng)下局部非均勻變形累積;五軸聯(lián)動(dòng)中刀具姿態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整引發(fā)切削力矢量方向突變,造成輪廓跟蹤誤差非線性增長(zhǎng);工藝參數(shù)與材料各向異性、動(dòng)態(tài)切削顫振間的協(xié)同匹配機(jī)制尚未明晰,限制薄壁件形位公差與表面完整性同步優(yōu)化。
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第一作者:張超,助理研究員,中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核燃料及材料研究所,610200 成都市
First Author: Zhang Chao, Assistant Researcher, Nuclear Fuel&Material Sub-Institute, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610200, China
(注,原文標(biāo)題:銑削殘余應(yīng)力對(duì)鋯合金薄板零件時(shí)效變形的影響規(guī)律研究)
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