开槽应力释放法优化整体结构件切削加工研究.pdf

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1、2014年4月机械设计与制造工程Apr．2014第43卷第4期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．43No．4DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2014．04．006开槽应力释放法优化整体结构件切削加工研究刘秦龙，华军，贾瑞艳(西安建筑科技大学理学院，陕西西安710055)摘要：为研究开槽法对整体结构件变形影响，以开槽应力释放法为基础，从力学角度建立单一残余应力作用下开槽法应力释放理论模型。建立开槽释放应力有限元模型，讨论了开槽深度、开槽宽度、开槽走向和开槽数

2、目4个主要因素对开槽效果的影响。研究表明，所建立的模型能正确预测开槽过程中残余应力释放影响毛坯件变形；开槽深度应控制在毛坯件中性层面附近；开槽宽度宜控制在总宽度2／3之内；开横槽应力释放效果要优于纵槽；开槽数目越多，残余应力释放效果越好。关键词：工程力学；切削加工；数值模拟；开槽法；残余应力中图分类号：TH164文献标识码：A文章编号：2095—509X(2014)04—0021—04随着现代机械高速高机动性能不断提升，机械c．残余应力仅沿板厚方向变化，在平行于板中构件强度与韧性要求不断提高，机械构件日趋偏重面的任一平面内均匀分布且对

3、称于中面(厚度方于整体结构加工。但是在整体结构件加工过程中，向几何中性层面即厚度中点所在面)。由于毛坯初始残余应力释放引起的变形严重影响开槽前板内残余应力处于平衡状态，开槽后其加工精度』。因为涉及国防关键性技术，所以尽内部残余应力的平衡状态被打破，整体构件的初始管发达国家对切削加工中变形控制做了大量研究，残余应力由于开槽而释放，宏观表现为翘曲变形。但其研究成果皆属机密。而我国对其研究仍处于在后续的加工工序中可以在开槽毛坯件背面进行起步阶段，与发达国家相比依然存在不小的差加工，加工时背面残余应力释放，引起的变形将会距[。抵消之前开槽引起

4、的变形，降低整体构件内部的残开槽应力释放法是切削加工前，在毛坯件中开余应力水平，最终减小构件的变形。槽释放毛坯件中初始残余应力，减小由其引起变形的方法。开槽法应力释放机理复杂，研究资料稀2拱高理论推导缺，文献[3]、[4]中对于开槽法理论的解释仅限于文献[3]、[4]中给出的拱高公式从开槽后构几何推导层面，没有明确解释开槽法的作用机理。件几何变形角度推算拱高值，其关键参数——曲率本文从力学角度建立单一方向残余应力下开半径很难测得，限制了该公式的应用，因此有必要槽法力学模型，解释开槽法机理，建立毛坯件开槽从力学角度推导变形拱高公式。法有

5、限元模型，通过模拟运算对开槽法工艺进行讨假设毛坯件纵剖面如图1所示，初始曲率为论，为开槽法优化加工工艺提供理论依据。0，长度为(L+：+，)，厚度为。L。与2段为未开槽段，为开槽段，槽位于毛坯件正中，t为单层l开槽法简介切削层厚度，b为毛坯件宽度。对于高强度铝合金板，其单向残余应力沿厚度由于段材料的去除打破了应力平衡，引起方向分布。本文遵从如下假设：构件变形。图中or，，or：，or。为开槽之后引起的反向a．铝板各向同性，材质均匀连续。等效应力]，其大小与文献[6]中的残余应力分布b．应力与应变线性相关，弹性模量不变。曲线等值反向。段

6、简化为两端简支的欧拉一伯收稿日期：2013—12—09基金项目：西安建筑科技大学校人才科技基金资助项目(DB12062)作者简介：刘秦龙(1988一)，男，陕西宝鸡人，西安建筑科技大学硕士研究生，主要研究方向为整体结构件切削加工、纳米力学。·21·2014年第43卷机械设计与制造工程力分布曲线。20个离散点均布于厚度方向。有限元模型也相应地分成20层，各层应力值对应于——一。丑各离散点值，如图2所示。模型布槽与理论模型一致，为中心对称通槽。I

7、￡．上3L215l’l’rl1『l0J奎I1开槽法力字模型村拿努利梁，而段与￡段未被切削，可

8、以认为段内应b力分布依然自平衡，所以与段只是随，段变形菩o而产生转动。￡段拱高可由材料力学公式’给出：一5加=(1)-lO．15式中：M为开槽所引起的等效反力对，段中性面的lUZUjU40毛坯厚f~y／mm弯矩；，为。段的截面惯性矩。其计算式分别如下：图2残余应力离散曲线=。b(h—y)+丢：6(一)，)d+通过理论与模拟两种不同方式分别计算拱高值，得到如图3，4所示拱高曲线。两图中理论与数。b(hdy(2)值模拟曲线均走向一致，大小吻合，表明理论模型，=(3)结果与模拟结果一致。式(2)中：M由残余应力分布函数or与开槽深0030度

9、Y复合而成，其中残余应力分布函数or通过实验0．025拟合，是仅含自变量Y的函数。因此一旦开槽深度Y确定，将会随之确定。同时，式(3)中变量只有开gO．020槽深度Y，因此当Y确定时，亦随之确定。再将式囊。川5(2)、(