薄壁零件残余应力演化机理及变形控制方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29365

航空发动机高性能制造专栏

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薄壁零件残余应力演化机理及变形控制方法

张仲玺¹, 王帅钦¹, 赵慧娟¹(), 张定华², 汪龙皓¹

^1.扬州大学机械工程学院，扬州 225009
^2.西北工业大学航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室，西安 710072

收稿日期:2023-07-25 修回日期:2023-08-17 接受日期:2023-10-07 出版日期:2024-07-15 发布日期:2023-12-01
通讯作者: 赵慧娟 E-mail:008370@yzu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52205501);航空发动机高性能制造工信部重点实验室（西北工业大学）开放课题(HPM-2021-04);扬州大学高层次人才项目(137012319);扬州市-扬州大学市校合作共建创新科技平台项目(YZ2020266)

Residual stresses evolution mechanism of thin⁃walled component and deformation control method

Zhongxi ZHANG¹, Shuaiqin WANG¹, Huijuan ZHAO¹(), Dinghua ZHANG², Longhao WANG¹

^1.School of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225009，China
^2.Key Laboratory of High Performance Manufacturing for Aero Engine，Ministry of Industry and Information Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2023-07-25 Revised:2023-08-17 Accepted:2023-10-07 Online:2024-07-15 Published:2023-12-01
Contact: Huijuan ZHAO E-mail:008370@yzu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52205501);Key Laboratory of High Performance Manufacturing for Aero Engine （Northwestern Polytechnical University）, Ministry of Industry and Information Technology(HPM-2021-04);The High-level Talent Program of Yangzhou University(137012319);Yangzhou-Yangzhou University Cooperative Innovation Technology Platform Support Project(YZ2020266)

摘要/Abstract

摘要：

变形是难加工材料薄壁零件切削加工所面临的最主要挑战之一，整个工艺过程，零件残余应力随材料去除不断演化，导致最终零件的精度很难保证。针对薄壁零件切削加工变形问题，提出一种考虑工艺过程残余应力演化的薄壁零件变形控制方法。首先，通过微元切片法建立了薄壁零件工艺过程简化模型，分析了零件夹紧点的载荷分布，建立了零件夹紧点等效载荷平衡方程；并基于变形叠加原理和微小变形理论，建立了零件夹紧点变形几何平衡方程；分析了工艺过程不同时刻的零件载荷分布情况，揭示了薄壁零件残余应力及其等效载荷演化机理。在此基础上，建立了工序间零件变形精确调控模型，实现了薄壁零件残余应力演化与最终变形控制。最后，设计了3组切削加工实验，分别采用不同加工工艺加工相同的薄板零件，实验结果表明，采用所提出的变形控制方法最大可降低加工变形82.2%。

关键词: 薄壁零件, 残余应力, 演化机理, 平衡状态, 变形控制

Abstract:

Deformation is one of the most important challenges in the machining of the thin-walled component， especially for the complicated thin-walled component with difficult-to-machining material. The internal stress and machining induced residual stress are evolved during the machining process， causing the poor machining accuracy of the final component. To solve this problem， a deformation control method based on the evolution mechanism of residual stress is proposed. Firstly， the simplified model of the component is obtained through the slice method. The equilibrium equation for clamping point is established by analyzing the loads distribution. The geometric equilibrium equation is then obtained according to the deformation superposition principle and micro deformation theory. The distribution of loads at different instants of machining process is analyzed， and the evolution mechanism of the residual stresses and the equivalent loads is revealed. Secondly， a mathematical model is established to regulate the in-process deformation of the thin-walled component. As the result， the evolution of the residual stresses and the deformation of the final component is controlled. Finally， 3 deformation validation experiments are carried out to process the same thin plates， and the deformation of the thin plates are compared. The experimental results indicate that the maximum deformation can be reduced by 82.2%.

Key words: thin-walled component, residual stress, evolution mechanism, equilibrium state, deformation control

中图分类号:

V263.1

张仲玺, 王帅钦, 赵慧娟, 张定华, 汪龙皓. 薄壁零件残余应力演化机理及变形控制方法[J]. 航空学报, 2024, 45(13): 629365-629365.

Zhongxi ZHANG, Shuaiqin WANG, Huijuan ZHAO, Dinghua ZHANG, Longhao WANG. Residual stresses evolution mechanism of thin⁃walled component and deformation control method[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(13): 629365-629365.

图/表 12

图 1

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表 1

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参考文献 27

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

项目	粗加工	半精加工
每齿进给/mm	0.15	0.15
切削速度/（m·min^-1）	50	50
轴向切深/mm	1.2	0.3
径向切深/mm	0.2	0.2
机床	UMC750SS五轴立式加工中心
刀具材料	硬质合金
工件材料	Ti6Al4V
刀具	12×R2×36×75-4F
冷却液	水溶性冷却液
测量仪	三坐标测量仪

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Residual stresses evolution mechanism of thin⁃walled component and deformation control method

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