殘余應力對變形的影響及措施

1、.切削力模型為分析薄壁件變形問題，需建立受力模型、變形模型及數(shù)控補償模型。而建立準確的受力模型是第一步關鍵的工作。圖立銑切削受力模型示意圖加工薄壁件多用立銑，所以首先建立立銑切削受力模型，如圖所示。立銑刀參與切削的部分為側刃、底刃和刀尖圓角半徑。其中側刃的受力模型經(jīng)分析可采用的平均力模型陋。建模過程簡述如下：因為切削力的大小與切削厚度有關，為方便分析，在側刃上將總的切削面積劃分為許多如圖所示麓盒飄曩。麟寒科學蒸龕鏖赫撩蝴瓢摹醍）簿肭礴且，二，”作謄筒介芏瘩剮（鯽鬻，“舅，漢族。江茵省景弛鎮(zhèn)市?；j班娥士研究生現(xiàn)代企業(yè)與先進制造技術高層論壇的負載單元，通過計算所有處在切削區(qū)域的每個單元負載，即可獲

2、得力的空間分布狀態(tài)。對于立銑刀底刃和刀尖圓角半徑部分的受力模型，可參考面銑的受力模型口建立。建模過程簡述如下：將切削力分解成垂直于刀具前刀面的法向力和刀具前刀面上的摩擦力，將某一瞬時處于切削區(qū)域內(nèi)所有的法向力和摩擦力分解到、三個方向，并與測量的切削力建立方程，通過求解可得到模型常量，進而可建立得底刃和刀尖圓角半徑部分的受力模型。切削力對側壁變形的影響及措施由于切削力的作用，工件的側壁會產(chǎn)生“讓刀”變形。針對側壁加工的變形特征，可以從兩方面考慮對其進行精度控制。其一為在常規(guī)銑削方式下，通過刀具或工件傾斜進行過切補償：其二為利用高速加工技術進行分層對稱銑削來控制其加工精度。薄圖過切補償原理示意圖如

3、圖所示，薄壁件上端剛性較差，在切削力作用下容易產(chǎn)生彈性變形，兩點分別移到彳，兩點，刀具僅切除部分的材料。走刀過后薄壁彈性恢復，殘留。部分材料未被切除，造成了壁厚加工誤差，因此薄壁件加工壁厚超差主要是由于讓刀而少切了一塊材料。若刀具能傾斜一個角度，即刀具由位置向位置偏擺，則在工件最下端徑向切深不變，而在工件最上端徑向切深增量為萬。徑向切深增大導致切削力的增大，進而變形增大，設刀具偏擺后加工中工件變形為萬，。工件回彈后的實際變形將取決于過切的程度與加工中工件變形的程度，若偏擺角度合適，過切與變形部分正好抵消。，分層對稱加工不僅切削力小，能減小加工變形，而且能使應力分布均勻化，同時可以采用大徑向切深

4、、小軸向切深加工并充分利用零件整體剛性，是一種有效而實用的側壁加工工藝方法。切削力對腹板變形的影響及措施圖為腹板變形示意圖，在切削力的作用下，刀具和薄壁件的切削平面都不在正確的位置上。實切削平面計劃的切削平面工件的切削平面圖腹板變形示意圖等人提出的低熔點合金（）輔助切削方案有效地解決了薄板的加工變形問題。該方案指出，利用熔點低于的“”作為待加工薄板的基座，或者將澆注入薄壁結構型腔，也可以將與真空吸管相配合組成真空夾具。該方法不僅可以加工高精度的薄板，也可以加工高精度的側壁。對減小腹板的加工變形，文獻中介紹的工藝方法也值得參考。其具體方法如下：（）刀具軌跡避免重復，以免刀具碰傷暫時變形的切削頑；

5、（）粗加工分層銑削，皮力均勻釋放；（）采用往復斜下先進制造技術刀方式以減少垂直分力對腹板的壓力；（）保證刀具處于良好的切削狀態(tài)。當然，該方法僅在走刀路徑方面進行優(yōu)化，還需結合其它方法（如使用真空夾具等）進一步控制加工變形。基于有限元分析的變形模型本文運用有限元分析結合受力模型進行變形模擬，以側壁為例。模擬過程如下【】：在刀具進給方向某一位置，假定刀具軸線固定，并以一定的角度增量妒旋轉。在每一旋轉位置，經(jīng)過有限元分析計算均可計算出相應位置節(jié)點的變形。這樣，經(jīng)過”次旋轉，共旋轉西角，這一軸線上所有位置節(jié)點的變形便全部得出。然后，刀具沿進給方向前進到下一軸線位置，重復上述計算過程，直至工件的最邊緣，

6、這樣，被加工工件的變形便全部被記錄下來。必須注意，由于讓刀現(xiàn)象，計算變形的過程中要通過迭代完成，直至滿足收斂條件為止?；谟邢拊夹g的數(shù)控補償模型進給量的局部優(yōu)化法與刀具偏擺數(shù)控補償技術【均應用了有限元技術來建立零件的加工變形模型，并分析處理加工過程中的加：變形狀況。進給量的局部優(yōu)化方法是針對恒定進給量提出的。因為零件某一表面上各部分的剛性不同，在同一表面上的切削力的大小也會不同，受力變形情況也不一樣。利用有限元分析軟件進行分析后得到變形分布圖，可以看到有些位置的變形大，有些位置的變形小。進給量的局部優(yōu)化就是在變形小的地方采用大進給量，而在變形大的地方采用小的進給量這樣可以在保證變形量的同時，

7、提高效率，減少成本。實驗研究表明，采用該方法在提高加工質量的同時可以節(jié)省約的加：【時間。刀具偏擺數(shù)控補償技術，是在有限元分析基礎上，根據(jù)模擬分析加工變形的大小，在數(shù)控編程時讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加補償運動，補償因變形而產(chǎn)生的變形。對側壁加工，通過偏擺刀具進行補償，如所示的過切補償，在實際加工中可以通過有限元預先計算需要傾斜的角度，使變形控制在要求范圍之內(nèi)：對腹板加工，則補償軸向切深，同樣可以通過有限元預先計算需要補償?shù)妮S向切深。通過數(shù)控補償，可以將因變形而產(chǎn)生的殘余材料切除，一次走刀即可保證薄壁件側壁或腹板精度，從而達到高效、經(jīng)濟、優(yōu)質加工薄壁零件的目的。殘余應力對變形的影響及措施

8、殘余應力產(chǎn)生的原剛州（）熱塑變形效應。高速切削過后產(chǎn)生的切削熱使表層收縮多，里層收縮少。表層的收縮受里層的牽制，因而表層存在張應力，里層存在壓應力。（）里層金屬彈性的恢復。已加工表面形成之后，因刀具的作用力消失。彈性變形趨向復原，但受到表層金屬的牽制，因而在表層造成應力狀態(tài)。（）表層金屬在切削熱的作用下發(fā)生相變。高溫時的奧氏體，冷卻后變?yōu)轶w積比奧氏體大的馬氏體。因而表層金屬膨脹但受到里層金屬的牽制。結果，使表層出現(xiàn)壓應力，而里層存在拉應力。減小殘余應力對變形影響的措施（）在刀具方面。在刀具耐用度允許的情況下，選用較大的刀具前角和后角。文獻提出了殘余應力管理技術（），從不同的角度討論減小殘余應力

9、的方法，對于刀具前角，該文指出，前角每增加度，切削溫度及切削力會降低。，（）切削三要素的影響。文獻¨指出加工時可以優(yōu)先選用大的切削深度，適當?shù)倪M給量，小的切削速度來減小殘余應力。文獻“”指出，應該使用連續(xù)的進給，避免刀具在：的某一位置停留，以防止工件局部過熱，產(chǎn)生較大的殘余應力。（）加工路線方面。在控制變形為首要考慮的前提下，可以采用所述的對稱銑削工藝技術?，F(xiàn)代企業(yè)與先進制造技術高層論壇切削熱對變形的影晌及其對策切削熱產(chǎn)生的原因在刀具的切削作用下，切削層金屬發(fā)生彈性變形和塑性變形以及切屑與前刀面及后刀面之間的摩擦都將產(chǎn)生熱能。切削速度對切削熱的影響最為顯著。實驗證明，隨著切削速度的提

10、高，切削溫度將明顯上升。進給量對切削熱也有一定的影響。進給速度很高時，切削區(qū)的熱量來不及傳給工件，所以絕大部分熱量留在切屑內(nèi)，由切屑帶走，工件基本上不受切削熱的影響，因而防止了熱變形。高速主軸的熱變形導致了機床高速主軸的伸長。刀具的受熱伸長也會導致工件尺寸超差。減小切削熱對變形影響的措施】（）減小機床熱變形對加工精度的影響。選擇：作穩(wěn)定性好的高速切削機床。確保加工時間段接近熱平衡狀態(tài)。加工前高速加工機床應當先空轉足夠的時間，使其基本上達到熱平衡狀態(tài)再開始二：作，盡量使加工時間處于熱平衡區(qū)間。采用間斷切削以減少熱變形程度。針對高速加工過程的特點，在程序設計中加入延時子程序，可以實現(xiàn)加工過程的間斷

11、。縮短加工時間。實踐中可以采用適度加大走刀量、刀具的直徑、精加工刀具的齒數(shù)，以及優(yōu)量等措施，縮短加工時間。改善主軸的潤滑、冷卻條件。（）減少刀具熱變形對加工精度的影響。刀具的熱變形主要因切削熱引起。選用膨脹系數(shù)小的刀具可以減小刀具熱變形對工件加工精度的影響。（）減小工件熱變形對加工精度的影響。工件的熱變形也主要由切削熱引起，因此采用冷卻性能好的水溶性冷卻液進行冷卻。（）減少切削熱。在二：藝方案上，可采取在切削速度不變的情況下，適度加大走刀量，以及選用前角大的刀具來減少切削熱。夾緊力對變形的影響及措施夾緊力的產(chǎn)生夾緊力產(chǎn)生在工件與夾具的接觸區(qū)域上。理想的夾具不應該產(chǎn)生任何變形，但是在許多情況下，

12、由于夾具的制造或設計不合理，工件在夾緊力作用下發(fā)生變形。如圖、為夾具和薄壁件的簡單示意圖以及變形示意圖。夾具薄壁件夾具圖夾具和薄壁件的簡單示意圖圖薄壁件在夾緊力作用下變形示意圖減小夾緊變形影響的措施對于薄壁件和其它一些工件很難找到合適的夾緊點，采取以下措施可有效減小夾緊變形【】。（】）增先進制造技術加輔助支撐和輔助夾緊點；（）分散著力點和增加壓緊件接觸面積；（）利用對稱變形；（）對極薄的工件，采用類似于所述的低熔點合金（）輔助切削方案。夾緊點的選擇是達到最佳夾緊狀態(tài)的首要因素。只有正確選擇夾緊點后，才能估算出所需的適當夾緊力。因此盡可能使夾緊點和支撐點對應，使夾緊力作用在支撐上，夾緊點選擇應盡量靠近加工表面，且選擇在不致引起過大夾緊變形的位置。當工件上有幾個方向的夾緊力作用時，還應考慮夾緊力作用的先后順序。對于僅為了使工件與支撐可靠接觸，夾緊力應先作用，而且不宜太大；對于以平衡切