金屬薄板平面銑削形變分析與控制

茍慎龍，邱呂強(qiáng)，徐剛，鄭煒，韓明洋

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 第四研究所，四川 成都 610005)

0 引言

金屬薄板類零部件廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航天、核能等領(lǐng)域，其在軍、民生產(chǎn)和生活中占有舉足輕重的地位。然而，金屬薄板類零部件的加工制造普遍存在形變嚴(yán)重、加工難度大等問題，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能。因此，如何有效控制薄板零部件的加工變形，對(duì)提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要研究價(jià)值。

金屬薄板通常由熱軋或冷軋工藝制成，初始形態(tài)各異，彎曲程度嚴(yán)重，平面加工難度較大。同時(shí)，在初始狀態(tài)下，金屬薄板通常都存在較大的殘余應(yīng)力，加工形變嚴(yán)重。因此，薄板零部件的加工過程中對(duì)于裝夾方式、工藝流程、吃刀深度等加工參數(shù)需嚴(yán)格把控[1]。加工實(shí)例如圖1所示。

圖1 金屬薄板實(shí)際加工狀態(tài)

1 金屬薄板加工形變因素分析

由于在實(shí)際加工過程中，金屬薄板加工形變量較大[2]，需對(duì)金屬薄板的形變因素進(jìn)行分析。金屬薄板的加工變形主要包括兩個(gè)方面：裝夾形變和加工形變。

裝夾形變主要指工裝夾具與工件之間相互作用而產(chǎn)生的形變。該種形變可通過調(diào)控裝夾點(diǎn)、裝夾順序等有效控制形變量。

加工形變主要包括讓刀、熱應(yīng)力形變和殘余應(yīng)力形變。

1) 讓刀為材料彈性形變，形變量相對(duì)較小且不可避免；

2) 熱應(yīng)力形變?yōu)榍邢鳠嵩诠ぜ砻嫘纬傻膽?yīng)力形變，可通過合理使用切削液，提高切削速度等方式有效調(diào)控；

3) 殘余應(yīng)力為材料內(nèi)部應(yīng)力，隨著加工過程的進(jìn)行，工件初始?xì)堄鄳?yīng)力的平衡被破壞，導(dǎo)致板材彎曲變形。殘余應(yīng)力加工形變量只受初始?xì)堄鄳?yīng)力以及切削厚度的影響[3]。

因此，內(nèi)部殘余應(yīng)力是造成工件加工變形的主要因素，本文主要針對(duì)薄板零件加工殘余應(yīng)力形變進(jìn)行分析和研究。

2 金屬薄板加工形變理論

實(shí)際生產(chǎn)過程中，金屬薄板厚度遠(yuǎn)小于長度和寬度。加工過程中，從表面開始逐層銑削，設(shè)金屬薄板厚度為h，單層銑削厚度為t。沿板材長度方向設(shè)為x軸，厚度方向?yàn)閦軸，金屬薄板加工簡易模型如圖2所示。

圖2 金屬薄板銑削模型

根據(jù)金屬薄板的內(nèi)應(yīng)力平衡，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及應(yīng)變曲率關(guān)系，可以得到金屬薄板加工過程中的應(yīng)力曲率關(guān)系[4]，如式(1)所示。

(1)

當(dāng)被剝除第一層材料內(nèi)平均應(yīng)力值σx1和σy1已知，可解出z=0處x、y向應(yīng)變的εx0和εy0及構(gòu)件x、y向的曲率ρx和ρy。其中，E為材料彈性模量，v為泊松比。

在第一層銑削的基礎(chǔ)上進(jìn)行后面各層的銑削加工，由此可以得到各層材料銑削后的應(yīng)力曲率關(guān)系，如式(2)所示。

(2)

撓度和曲率的幾何關(guān)系為：

(3)

其中：ρ為曲率；L為長度,mm；Δd為撓度,mm。

3 金屬薄板逐層切削模擬仿真

本文以大平面不銹鋼薄板平面銑削加工為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)過程中要得到初始?xì)堄鄳?yīng)力，需獲取大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為不影響項(xiàng)目工作的正常運(yùn)行，本文借助非線性仿真軟件進(jìn)行模擬試驗(yàn)[5]。

設(shè)置材料彈性模量E=194020MPa，泊松比v=0.3； 沿厚度方向?qū)⒛Ｐ头譃?6層，單層切削厚度為1mm，加載預(yù)設(shè)殘余應(yīng)力，分布如圖3所示。

在有限元軟件ABAQUS中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，測(cè)量薄板底面沿長度方向各測(cè)量點(diǎn)的z向位移量，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，位移測(cè)量值如圖4所示。

圖3 初始?xì)堄鄳?yīng)力分布圖

圖4 單層銑削z向位移

將圖3中設(shè)置的初始?xì)堄鄳?yīng)力帶入第2節(jié)中理論分析公式，可計(jì)算得板材銑削一層理論撓度值為7.03mm，而有限元仿真撓度值為6.78mm，相對(duì)誤差約為3.75%，依次類推可得銑削n層的撓度理論計(jì)算值與仿真值，如圖5所示。

圖5 逐層切削理論與仿真對(duì)比

由圖5可知，隨著逐層切削的不斷進(jìn)行，撓度的理論計(jì)算與有限元仿真的變化規(guī)律基本一致，且因累計(jì)誤差的影響，隨著切削層數(shù)的增加相對(duì)誤差逐漸增大，但總體上相對(duì)誤差都不超過15%。因此，可證明計(jì)算公式的有效性。

4 金屬薄板加工形變實(shí)驗(yàn)測(cè)試

板材軋制長度約為1700mm，厚度約為16mm，屬于典型的大平面薄板零件。加工最終厚度為13mm，總體剝除厚度約為3mm，平面度要求0.3mm。在銑削實(shí)驗(yàn)過程中，各層銑削厚度根據(jù)工件的實(shí)際形變狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)。由于殘余應(yīng)力的形變影響，逐層銑削實(shí)驗(yàn)共分6層，依次為上下表面輪流交替翻面銑削， 沿不銹鋼板材長度方向，每間隔170mm取點(diǎn)，用塞尺測(cè)量各層切削前后板材剩余厚度和底面與平臺(tái)間隙，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1和圖6所示(本刊系黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)。

表1 不銹鋼薄板逐層銑削數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖6 板面逐層銑削數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

由圖6可知，板材初始狀態(tài)較為平整，撓度約為0.3mm。在經(jīng)過第1次銑削后，不銹鋼板呈兩端翹起狀態(tài)，撓度約為4.25mm；經(jīng)過第2次銑削后，板面回到較為平整狀態(tài)，撓度約為0.43mm；經(jīng)過第3次銑削后，板面再次呈兩端翹起狀態(tài)，撓度約為3.13mm；經(jīng)過第4次銑削后，板面再次回到較為平整狀態(tài)，撓度約為0.26mm；第5次和第6次銑削，板面形變量較小，滿足加工技術(shù)要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

a) 板材初始?xì)堄鄳?yīng)力呈“外壓內(nèi)拉”狀態(tài)，沿厚度方向?qū)ΨQ分布。第一層剝除后，該層壓應(yīng)力被釋放，剩余板材為達(dá)到新的平衡狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)上表面收縮，下表面伸展的趨勢(shì)，導(dǎo)致板材兩端翹起；第二層與第一層沿厚度方向?qū)ΨQ，釋放的壓應(yīng)力與第一層釋放壓應(yīng)力相互抵消，因此，板面重新回到較為平整狀態(tài)；同樣第三層和第四層銑削結(jié)果一致。

b) 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果a) 可知，板材殘余應(yīng)力沿厚度方向由外到內(nèi)，逐漸從壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力。因此，在同性殘余應(yīng)力范圍內(nèi)，不銹鋼板材板面銑削形變量隨銑削厚度的增加而增加。

c) 由初始狀態(tài)和2、4、6次銑削測(cè)量結(jié)果可知，板材銑削過程存在邊緣效應(yīng)，板材邊緣部分應(yīng)力較大且分布較為集中，會(huì)對(duì)板材局部形變狀態(tài)造成影響，使板材呈M形變狀態(tài)。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，板材存在顯著的邊緣效應(yīng)，計(jì)算過程需去除兩端數(shù)據(jù)。此處取第3-9個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)表1實(shí)測(cè)參數(shù)值，帶入式(1)和式(2)中可計(jì)算得：

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出：板材初始?xì)堄鄳?yīng)力基本呈對(duì)稱分布狀態(tài)，這也符合板材較為平整的初始狀態(tài)。因此，可由板材的初始形變狀態(tài)判斷其初始?xì)堄鄳?yīng)力分布狀態(tài)。

5 結(jié)語

1) 金屬薄板的初始?xì)堄鄳?yīng)力呈“外壓內(nèi)拉”狀態(tài)，在機(jī)械加工過程中單側(cè)釋放應(yīng)力將會(huì)造成板面兩端相對(duì)翹曲；

2) 若金屬薄板經(jīng)過退火或預(yù)拉伸處理，初始?xì)堄鄳?yīng)力較小，在機(jī)械加工過程中應(yīng)盡量保證兩側(cè)表面對(duì)稱等量切削；

3) 若金屬板材未經(jīng)過殘余應(yīng)力預(yù)處理，則應(yīng)根據(jù)板材初始形變狀態(tài)判斷殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。如果板材最初呈彎曲狀態(tài)，則應(yīng)先銑削凸形面，且凸形面吃刀量應(yīng)略大于凹形面吃刀量；