1、引言

锆合金薄板零件重要利用于核反映堆部件或航天器结构,对加工精杜仔严格要求,但由于薄壁结构个性,加工过程中极易受残存应力影响产生变形，从而影响尺寸精度和服役机能
。因而，钻研残存应力对锆合金薄板加工变形的影响及节造步骤对于满足现实工程需要拥有沉要意思[1]
。凭据形成机理，引起锆合金薄壁件加工变形的残存应力可分为初始残存应力和加工诱发残存应力
。

锆合金薄板零件整体变形的影响成分极度复杂[3],在零件加工前,毛坯经轧造、退火后,内部残存应力处于平衡状态
。在铣削加工过程中，零件表层资料被去除[4-5],导致初始残存应力开释,零件整体变形较大
。GaoH.等[6]钻研了初始残存应力和等效弯曲刚度对薄壁件变形的影响
。ZhengJ.Y.等钻研了初始残存应力和刀具轨迹战术对薄壁铝件变形的影响
。LiX.等[8]分析了初始残存应力与精加工余量之间的关系，成立了薄壁件的变形预测模型
。同时，铣削过程中产生的不均匀的塑性变形与温度变动会引入新的残存应力，即铣削残存应力
。ZhangZ.等利用新的加工残存应力推算步骤成立了薄壁件的变形预测模型
。LiY.等[10]将加工残存应力作为等效扭矩，钻研了加工残存应力对薄壁板变形的影响
。ZhouJ.蹬酌双曲正切函数暗示端铣加工残存应力散布，成立了薄板残存应力剖面与弯曲挠度的映射关系
。

两种残存应力的共同作用使零件在加工过程中的整体变形难以正确预测，导致零件的加工精度降低，影响装配甚至产生不合格品，增长造作成本
。零件加工实现后，经一段功夫的时效，内部残存应力缓慢开释引起新的变形，降低零件的精度维持性，影响产品的使用机能
。

综上所述，本文以锆合金[12]为钻研对象，思考锆合金薄壁零件初始应力及变状态态，发展铣削加工试验，通过采集铣削过程中的有关数据，获取分歧参数下的锆合金薄壁件铣削表表残存应力和零件变形数据并对了局进行分析，在思考锆合金薄壁件初始状态的前提下获得面向最幼加工变形的最优的工艺参数组合
。

2、试验规划设计

2.1原资料及装夹规划

原资料选用9块尺寸为195mm×57.8mm×4.5mm的锆合金板材
。试验夹具重要蕴含底板夹具和固定夹具，底板夹具要求在夹紧状态下丈量残存应力，因而必要设计能和零件从测力计一起被拆卸下来的底板夹具
。固定夹具将零件固定在底板夹具上，且加工时不与刀具产生过问,丈量应力时不与探头产生过问
。两个孔用于螺栓衔接，槽用于压住零件以及在夹具产生变形后将零件扣住，夹具总厚度为6mm，中央槽深为2mm
。

2.2加工规划设计

为相识各成分及其相互作用对薄板残存应力及变形散布的影响，设计9组三成分三水平正交试验
。所有锆合金薄板试品在加工前均通过退火和时效处置，使其应力状态趋于一致，从而预防因初始应力不均而引入的误差
。涉及到的工艺参数重要有主轴转速、前倾角、侧倾角、每齿进给量、切削深度和蹊径间距等
。其中，主轴转速为主轴每分钟旋转的转数，前倾角为刀具在XOZ平面上与Z轴的夹角，侧倾角为刀具在YOZ平面上与Z轴的夹角，每齿进给量为多齿铣导旋转一个齿间角时铣刀相对工件在进给方向上的位移，切削深度为切削工件时已加工表表与待加工表表之间的垂直距离，蹊径间距为每条蹊径之间相隔的距离
。本试验中，工艺参数变量为主轴转速、前倾角和侧倾角，维持切削深度为2mm、每齿进给量为0.09mm/z、切削宽度为0.3mm
。为了预防刀具姿势导致加工过问，选择高度较幼的固定螺栓进行固定
。选取直径为10mm的球刀进行切削加工，在DMU60MonoBlock五轴加工中心上进行试验，加工时施加冷却液
；诠こ叹，选择五轴铣削加工中心对残存应力有显著影响的刀具姿势和主轴转速作为输入变量，维吃熹他工艺参数不变，具体工艺参数如表1所示
。

表1加工试验参数

2.3信号丈量规划

加工前在装夹状态下丈量零件的初始应力,丈量设备选取PROTOXRD应力仪
。加工过程当选取测力计丈量加工过程中的力信号，选取红表热像仪丈量温度信号，选取麦克风丈量噪音信号,选取功率表丈量功率信号
。加工后立即丈量夹紧状态下零件加工区域的残存应力,测完应力之后放松装夹，在Leitzpmm-C三坐标丈量机上丈量零件在Z方向的变形,为保障丈量数据的功夫一致性，应力与变形保障在一周内实现丈量
。加工实现后，对加工薄壁件进行时效处置，即搁置于室温保留箱内保留30天，随后对薄壁件加工区域的应力和变形再次进行丈量
。针对应力丈量区域与丈量点，思考过渡区域宽度、固定夹具宽度及应力仪器丈量过问区域，设置中央区域长度为120mm,宽度为44mm,长度方向丈量7个点,点间距为20mm，宽度方向丈量5个点，点间距为11mm，每块零件丈量35个点的应力数据
。

3、锆合金薄壁件加工变形法规

基于设计的加工参数,分析分歧工艺参数前提下的9组薄壁件变形情况
。对薄壁件平口试验点数据进行处置,以矩形薄壁件四角的丈量点数据为基准点成立基准面
。在平面地位内肆意点处(由X和Y坐标地位决定),薄壁件平口试验数据点与基准面的相对高度差即为薄壁件的加工变形值,顺次对9组试验进行分析,加工前、加工后和时效后的最大、均匀变形值汇总了局如表2所示
。

对各类加工参数组合下的试验了局进行主效应分析
。加工后和时效后的薄壁件最大变形和均匀变形随工艺参数变动的趋向根基一样，且随着转速、前倾角和侧倾角的增大而单调递减
。侧倾角对薄壁件加工变形最大值和均值的影响最大，侧倾角从0°增大至20°的过程中，变形最大值从0.108mm减幼至0.041mm,均值从0.053mm减幼至0.013mm
。时效后的薄壁件变形最大值受转速影响最大，转速从4000r/min增大至6000r/min的过程中，变形最大值从0.099mm减幼至0.054mm,均值受侧倾角影响最大,侧倾角从0°增大至20°的过程中,变形均值从0.048mm减幼至0.018mm
。

对试验参数1前提下的薄壁件变形情况进行分析
。加工前零件表表沿着宽度方向产生倾斜,这是由于获取基准平面的过程中,薄壁件周围的点并不处于统一水平面内，造成基准平面的倾斜，进而影响相对高度差的推算
。加工实现后薄壁件沿着Z轴正方向产生较大的变形,薄壁件的加工变形重要表此尖刻壁件长度方向(薄壁件长度方向几何尺寸较大)，宽度方向产生的变形量较幼
。时效后薄壁件的变形相迸宗加工后的变形有所减幼，由试验了局能够观察到沿薄壁件宽度方向的凸起变形有所降落
。

表2加工参数及变形了局

对试验参数2前提下的薄壁件变形情况进行分析
。加工前薄壁件沿着Z轴正方向产生凸起变形，加工后薄壁件沿着Z轴正方向产生的凸起变形降落0.018mm
。薄壁件加工变形重要由长度方向的凸起变形决定，但宽度方向产生了较幼的凹陷变形，导致薄壁件出现出马鞍面的变状态态
。时效后薄壁件变形险些与加工后变形一样，依然出现马鞍面的变状态态
。

对试验参数3前提下的薄壁件变形情况进行分析
。加工前薄壁件沿着Z轴正方向产生凸起变形，加工后薄壁件沿着Z轴正方向的凸起变形显著减幼，但是薄壁件宽度方向的凹变形显著增长，导致薄壁件出现出越发显著的马鞍面变形
。除此之表，薄壁件周围的几何尺寸点显著不处于一样的平面内，这暗示薄壁件沿着长度方向产生了肯定的扭曲变形
。时效后薄壁件变形相迸宗加工后的增大0.017mm,马鞍面变形情况有所缓解,但在靠近薄壁件宽边左近依然存在较大的变形
。

对试验参数4前提下的薄壁件变形情况进行分析
。加工前零件初始变形较幼，沿着Z轴负方向产生凹陷变形，但沿着薄壁件宽度方向存在肯定的凸起变形，导致薄壁件边缘处翘起
。加工后薄壁件沿着Z轴正方向产生较大的变形，薄壁件由凹陷变形变为凸起变形，且出现出马鞍面的变动大局
。时效后薄壁件变形相迸宗加工后的有轻微增大，增量为0.006mm，证明天然时效处置并未减幼薄壁件加工产生的变形
。薄壁件沿着宽度方向的凹陷变形减幼，马鞍面变形平缓
。

对试验参数5前提下的薄壁件变形情况进行分析
。加工前零件的整体加工变形较幼，但是在薄壁件长边和宽边交汇处产生了较大的翘折
。相迸宗加工前，加工后薄壁件沿着Z轴正方向产生较大的变形，增量为0.025mm，薄壁件出现出马鞍面的变形大局
。时效后薄壁件的变形相迸宗加工后的增大0.011mm,固然薄壁件整体变形增大,但其马鞍面变形成都相比时效前的有所平缓
。

对试验参数6前提下的薄壁件变形情况进行分析
。加工前薄壁件沿着Z轴正方向产生凸起变形,由曲面的两条宽边对称的倾斜情况能够揣摩出薄壁件在初始状态下沿着长边方向存在肯定的旋转变形;加工后薄壁件沿着Z轴正方向的变形量增大0.014mm,薄壁件的旋转变形情况相较于加工前的越发显著
。时效后薄壁件变形相迸宗加工后的减幼了0.014mm,并且复原至加工前水平,但薄壁件出现出较显著的马鞍面变形
。

对试验参数7前提下的薄壁件变形情况进行分析
。加工前零件变形较幼，重要沿Z轴负方向产生凹陷变形，且沿着薄壁件宽度方向出现褶皱
。相迸宗加工前，加工后薄壁件加工变形增大了0.02mm,零件沿着Z轴正方向产生凸起变形,薄壁件出现出马鞍面的变形特点
。时效后薄壁件的变形相迸宗加工后进一步增大，增量为0.024mm，薄壁件依然出现出马鞍面变形的特点
。

对试验参数8前提下的薄壁件变形情况进行分析
。加工前零件沿着Z轴正方向产生凸起变形
。加工后薄壁件沿着Z轴正方向变形量有所增大，增量为0.007mm，薄壁件出现出马鞍面变形特点，然而马鞍面重要表此尖刻壁件中央地位
。时效后薄壁件的变形维持在加工后的水平，且马鞍面变形由仅呈此尖刻壁件中央地位变为沿着薄壁件加工面整体散布
。

对试验参数9前提下的薄壁件变形情况进行分析
。加工前零件沿着Z轴正方向产生凸起变形,且由曲面宽度方向的天堑区域可知,薄壁件同时存在肯定的旋转变形
。加工后薄壁件沿着Z轴正方向变形量有所减幼，减幼量为0.015mm
。对曲面特定了局分析发现，曲面顶部区域曲率较幼，这批注薄壁件加工变形量的减幼重要由薄壁件中央部位变形的减幼而导致
。时效后薄壁件的变形相迸宗加工后的有轻微增大，薄壁件由加工后仅沿着Z轴正方向产生凸起变形变为马鞍面变形特点
。

进一步分析上述试验了局可知:(1)加工前薄壁件的变形重要阐发为沿Z轴正方向的凸起或负方向的凹陷变形,并伴随肯定水平的长度方向旋转变形及宽度方向的翘曲
。分歧试验参数下,加工前的最大变形领域为0.011~0.074mm,均匀变形领域为0.004~0.033mm,初始状态对基准面成立及后续变形丈量有显著影响;(2)薄壁件加工实现后沿Z轴正方向的变形显著增大，出现出由凹陷变形向凸起变形的过渡
。变形的主导方向为长度方向，宽度方向的变形量较幼但形成马鞍面特点
。加工实现后零件的最大变形领域为0.033~0.196mm,均匀变形领域为0.009~0.104mm
。长边和宽边交汇处以及边缘区域的变形尤为显著，显示几何结构和资料散布对加工变形的敏感性;(3)天然时效处置后，薄壁件的变形量变动出现两种趋向
。部门试验前提下，时效处置减幼了加工后Z轴正方向的变形量,尤其是旋转变形和宽度方向的凹陷变形得到肯定缓解，另一些前提下，时效处置增大了变形量，但变形散布趋于平缓
。整体上，时效后的最大变形领域为0.047~0.183mm,均匀变形领域为0.013~0.095mm,批注天然时效对加工变形的平衡作用有限;(4)加工实现实时效后，马鞍面变形成为薄壁件变形的典型特点，其形成重要与资料去除过程中内应力的开释及零件结构特点有关
。

4、初始应力开释对锆合金薄壁件加工变形的影响法规

综合比力9组薄壁件应力开释对变形的影响情况,可得到以下了局:1号薄壁件加工前一加工后一时效后的最大变形量出现出先增大后减幼的变动趋向,Y方向应力极差和Y方向最大应力与该最大变形变动趋向一样;2号薄壁件加工前一加工后一时效后的最大变形量出现出减幼的变动趋向，Y方向应力极差、Y方向最大应力、Y方向应力方差、Y方向应力均值和X方向应力方差与该最大变形变动趋向一样;4号薄壁件加工前一加工后一时效后的最大变形量出现出增大的变动趋向,X方向应力均值和X方向最幼应力与该最大变形变动趋向一样;5号薄壁件加工前一加工后一时效后的最大变形量出现出增大的变动趋向，Y方向应力均值、Y方向最幼应力和X方向最幼应力与该最大变形变动趋向一样;7号薄壁件加工前一加工后一时效后的最大变形量出现出增大的变动趋向,Y方向最幼应力与该最大变形变动趋向一样;8号薄壁件加工前一加工后一时效后的最大变形量出现出增大的变动趋向,Y方向应力均值、Y方向最幼应力、X方向应力方差和X方向应力均值与该最大变形变动趋向一样
。

薄壁件的最大变形量在加工前、加工后和时效后出现分歧变动趋向，具体变动与应力散布特点亲昵有关，如应力极差、最大应力和应力方差等
。无数薄壁件的最大变形趋向与Y方向应力特点(如极差、最大应力、最幼应力、均值和方差)的变动一致，批注Y方向应力是影响薄壁件变形的重要成分
。

基于试验工艺参数对薄壁件变形和残存应力的影响分析可得:(1)工艺参数显著影响加工变形个性
。初始变形较幼的前提(如参数4和5)易节造变形幅度，但马鞍面特点仍存在;初始凸起或旋转较大的前提(如参数3和6)加工变形显著，需优化参数以降低变形;(2)随着主轴转速增大，加工后实时效后最大变形量均减幼;前倾角增大时,加工变形量先减幼后维持不变，时效变形量先减幼后增大;侧倾角增大,加工变形量减幼,时效变形量先减幼后增大;(3)选取主轴转速为5000~6000r/min、前倾角为10°或侧倾角为20°的参数时，应力与变形关联显著
。最幼变形对应最佳组合为主轴转速6000r/min、前倾角20°和侧倾角10°;(4)侧倾角为0°时易获得较幼的应力均值;主轴转速为5000r/min、前倾角为20°或侧倾角为20°时易获得较幼的应力极差;(5)时效后分歧参数下的应力阐发分歧
。如主轴转速为4000r/min、前倾角为0°、侧倾角为0°时，X方向压应力较大;主轴转速为6000r/min、前倾角为20°、侧倾角为0°时，Y方向压应力较大
。

5、结论

通过处置铣削加工前、铣削加工后以及天然时效后的薄壁件铣削表表残存应力以及薄壁件加工变形数据,分析初始应力散布以及薄壁件加工变形的变动法规,探索锆合金薄壁件初始应力开释对变形的影响法规,得到以下结论
。

(1)薄壁件加工实现后变形量显著增大,重要阐发为沿Z轴正方向的凸起和长度方向的马鞍面特点,宽度方向变形较幼但显著影响整体状态
。证了然加工变形受资料内应力开释和零件几何个性的影响显著
。

(2)分歧工艺参数对变形个性影响显著,初始状态变形较幼的前提更有利于节造加工变形，而较大初始凸起或旋转变形的前提易导致更严沉的变形
。这为通过优化工艺参数有效调控薄壁件的变形幅度和状态提供了可能
。

(3)薄壁件的最大变形量在加工前、加工后和时效后出现分歧变动趋向，具体变动与应力散布特点亲昵有关，如应力极差、最大应力和应力方差等
。无数薄壁件的最大变形趋向与Y方向应力特点(如极差、最大应力、最幼应力、均值和方差)的变动一致，批注Y方向应力是影响薄壁件变形的重要成分
。

(4)工艺参数显著影响薄壁件的变形和残存应力个性，其中主轴转速为6000r/min、前倾角为20°、侧倾角为10°为最优组合，可显著减幼加工后和时效后的变形，同时侧倾角为0°有助于获得较幼的应力均值,而特定前提下(如主轴转速为4000r/min或6000r/min),X或Y方向压应力阐发凸起
。

(5)为实现锆合金薄壁件高精度加工，五轴铣削需具备精密活动节造与动态不变性，但薄壁件加工精度仍受多维耦合效应造约:资料低导热性与弱刚性薄壁结构的交互作用，导致热一力耦合场下部门非均匀变形累积;五轴联动中刀具姿势动态调整引发切削力矢量方向突变，造成概括跟踪误差非线性增长;工艺参数与资料各向异性、动态切削颤振间的协同匹配机造尚未了了，限度薄壁件形位公差与表表齐全性同步优化
。

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第一作者：张超，助理钻研员，中国核动力钻研设计院核燃料及资料钻研所，610200 成都市

First Author： Zhang Chao， Assistant Researcher， Nuclear Fuel&Material Sub-Institute， Nuclear Power Institute of China， Chengdu 610200， China

（注，原文标题：铣削残存应力对锆合金薄板零件时效变形的影响法规钻研）