变形构件

关键词: 结构件 变形 焊接 加工

变形构件(精选七篇)

变形构件 篇1

关键词:焊接工艺,应力,变形

在油田设备的制作加工中, 需要进行大量的结构件焊接, 焊接结构相对于其他的加工方式有生产工艺简单、节省材料、制作周期短等多方面优点, 而且对于特定的结构形状, 可以达到别的加工方法无法完成的结构。由于焊接过程中存在的残余应力和焊接变形, 会直接影响到产品的质量, 本文主要是通过研究探讨结构件的焊接工艺及相关变形问题, 来努力提高企业在结构件焊接的工艺水平, 实现更大的经济价值。

1 结构件的焊接工艺

结构件的焊接工艺是保证产品质量的重要途径, 直接影响了焊接的质量和结构件的稳定性。焊接工艺主要包括型材的预处理、下料、焊接方法、材料、设备以及辅助材料、工具等。

1.1 型材的预处理及下料

为了保证焊接的质量, 在焊接前必须进行型材的预处理, 除去金属表面附着的油污、锈、氧化皮和灰尘等, 以免出现夹渣、气孔等焊接缺陷, 同事提高金属表面的耐腐蚀性和粗糙度, 利于后续喷漆等操作。型材的预处理分为化学处理和机械处理, 化学处理如酸洗, 机械处理有喷丸法、抛丸法和人工打磨等, 具体需要根据工件的要求来制定。结构件的下料分为热切和冷切。热切有火焰切割、光能切割和电能切割, 冷切有剪切和冲裁两种。对于油田特种设备的生产过程中, 使用最多的热切是数控火焰切割, 这种方式能在切割质量和变形方面有很好的控制, 其高精度和效率的提高, 且不需要经过二次拼焊, 提高了工作效率和产品质量

1.2 焊接方法与设备

结构件的焊接常采用气体保护焊进行焊接, 一般有二氧化碳保护焊和混合气体保护焊, 混合气体为90%氩气和10%二氧化碳。混合气体保护焊可加强焊接电弧和熔池深度, 减少了焊接飞溅和焊接后的打磨工作量, 保证了焊接的质量。由于焊接的特殊性, 结构件的焊接会、就不可避免的出现变形, 应对此类变形多采取拼焊定位工装, 制定合理的焊接顺序和走向, 还可在焊接前加工工件使其反方向变形, 与焊接应力变形后中和后保证产品到达技术要求。在焊接的方法上, 主要采取以下常用工艺:尽量减少焊道的数量;焊缝的布置相对于零件的中心线对称;较厚的板采取双面焊;结构件拼焊时定位基准和零件的设计基准保持一致。

1.3 焊接材料

结构件焊缝的性能质量直接由焊接材料的性能和化学成分决定, 焊接材料的选用原则是焊缝金属的性能高于或等于母材的性能, 对于一些特殊焊接还需要考虑材料的焊接性能。如结构件为压力容器时, 焊材的选用还需要依据压力容器标准以及制造工艺、使用环境等。

1.4 焊接的辅助及质量保证

在焊接的过程中选用不同的焊接辅助材料和工具就能有效的提高工作效率和产品质量。针对板材和圆形结构件等采用不同的辅助工具, 如十字操作架和变位机等, 能方便操作者的焊接, 降低劳动强度, 提高焊接质量。结构件的形式多样化, 虽然采用了必要的质量控制措施和先进的焊接工艺, 但是还是会出现一些焊接缺陷, 成品中会存在一定的咬边、气孔、夹渣等, 所以在焊接完工后需要对工件进行检测, 有问题的工件及时返工, 对于不重要部件, 可做适当的打磨来保证外观后转入下道工序, 对于重要的焊缝, 需要进行超声波探伤等无损检测来确保焊缝质量。

2 结构件变形的相关讨论

焊接结构件的过程中由于不均匀的加热和冷却就形成了应力和变形, 熔池金属的冷却过程中液态到固态的变化以及温度的降低会使得焊缝收缩, 也是应力和变形产生的因素之一。焊接变形就会给后期的装配工作带来影响, 这就需要在焊接过程中做好变形量的控制, 以下主要是从焊接件材料选择和设计合理的焊接结构方面来讨论减少变形的方法。

2.1 选用合理的焊接件材料

焊接件的材料决定了结构件的质量。对于焊接件材料的选择, 首先要根据结构件的受力情况、工作条件以及相关设计要求。主要是从以下几个方面考虑

(1) 尽量选用同种材料。结构件的制作一般是多个零件和构件通过焊接而形成, 考虑到焊接过程中的一些工艺, 选择同样的结构件材料就能利于材料的采购、焊接方法和焊材选择、焊接工艺的制定。实际生产中, 出于成本考虑, 还需尽量减少贵重金属的使用, 这就需要综合考虑结构件对焊接质量要求以及相关成本控制。

(2) 选用焊接性能好的材料。对于结构件的材料选择时, 需要从材料的强度、结构件的工作条件等方面考虑。在满足这些性能后, 尽量选用焊接性能好, 且适合生产现场焊接方法。在材料满足焊接方法普通和焊接性能好的前提下, 需要考虑经济性。选用价格低、供应充足易采购的材料, 降低成本的同时对于材料的短缺也容易得到补充, 有利于提高产品的竞争力。

2.2 设计合理的焊接件结构

焊接件结构稳定及形变的关键是结构设计, 这也关系到焊接结构件的强度、寿命等问题, 提高焊接结构设计可以从以下几个方面来提高。

(1) 减少焊缝的数量结构件由多个零部件焊接而成, 在结构件的设计过程中, 需要尽量减少零件的数量来减少焊缝数量。这样就从本质上减少了焊接应力的产生, 提高结构件的强度。

(2) 焊缝的分布尽量在应力较小处由于结构件的承载, 内部就会产生相应的应力, 零部件的形状不同而受力不一致, 在不同的部位和截面产生不同的应力。为了减小焊接的缺陷和应力集中等破坏因素就需要尽量把焊缝布置在受力相对较小的部位。

(3) 选择合适的接头形式结构件的焊接接头性能与质量决定了焊接结构件的稳定可靠性。通过大量的焊接接头试验研究表明, 其对结构件的性能和可靠性以及应用范围都有着很大的影响作用。熔焊的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝, 相对应的焊接接头有对接接头、角接接头、T形接头、搭接接头和塞焊接头等。接头的选择应优先采用形式简单且应力集中较小而不破坏接头的连续性接头形式。如对接接头就是一种应力集中小、形式简单且较少折转力的传递的典型焊接接头形式。

(4) 尽量减少焊缝的截面尺寸、采用对称焊接焊接的变形与熔池内金属的多少有关系, 所以可以采用双U形破口和双V形破口来代替V形破口, 减少焊缝的的截面积, 且在焊缝的厚度方向对称, 形成一致的收缩来减少变形。结构件的设计过程中也尽量选用对称的构件截面焊缝位置, 抵消焊接引起的形变。

对于结构件的焊接质量, 主要是对焊接应力的防治和消除, 减少和校正焊接变形。结构件的焊接是一项较为复杂而系统的焊接工程, 由于结构件零部件的数量大, 需要再焊接过程中综合考虑影响焊接质量的结构件材料、预处理方式、焊接工艺及相关的辅助工具使用。对于发生形变的结构件也要采取正确的矫正措施, 来保证质量及安装要求。

参考文献

[1]黄明亮.结构件焊接变形控制浅谈[J].科技与企业, 2012.16[1]黄明亮.结构件焊接变形控制浅谈[J].科技与企业, 2012.16

薄板结构件焊接变形的控制和矫正 篇2

【关键字】薄板结构件;焊接变形;控制;矫正

前言

近些年来,随着我国工业技术的快速发展,焊接结构正以其生产工作简单、制作周期较短等诸多优点,被广泛应用于复杂结构件的制作中。可以说,焊接俨然已经成为工业制作的重要手段,并在工业发展中占据着十分重要的地位。然而,由于焊接是一种局部不均匀加热与冷却的过程,在焊接过程中及焊后极易造成焊接结构件的变形,严重影响结构件的使用与成品结构件的质量。特别是薄板结构件焊接变形,更是需要高超的技术进行控制与矫正。所以,对薄板结构件焊接变形的控制早已成为工业企业生产、加工的难点。以下笔者即结合个人实践工作经验,从影响焊接结构件变形的原因入手进行粗浅的分析,并提出控制与矫正薄板结构件焊机变形的个人建议,以供参考。

1、产生焊接变形的原因

焊接是一种不均匀快速加热和冷却的过程,所以在焊接过程中及焊后极易造成焊接结构件变形,给结构件的使用造成严重影响。所以,加强对焊接结构件焊接变形的研究与控制尤为重要。而笔者通过对大量的实践数据分析得知,目前引发焊接变形的最根本原因主要是由焊接过程中的热变形与焊接结构件的刚性条件所造成的。其中,引发焊接热变形的主要因素,主要有以下几点:焊接工艺方法;焊接参数;焊缝数量和断面大小;施工方法;材料的热物理性能等。而影响焊接结构件刚性系数的因素,又可分为以下几点:构件的尺寸和形状;胎夹具的应用;装配焊接程序等。

2、薄板结构件焊接变形的种类

通过大量的数据分析,我们可以得知,无论是任何钢结构,其在发生焊接变形时,其变形总类主要可以分为:整体变形与局部变形两种,薄板结构件自然也不例外。目前薄板结构件焊接变形中的整体变形,就是指焊接以后,整个构件的尺寸或形状都发生的变化,如:纵向、横向收缩,弯曲和扭曲变形等。而薄板结构件焊接变形中的局部变形则是指,焊接以后构件的局部区域出现变形,包括角变形与波浪变形等。

3、控制与矫正薄板结构件焊接变形的具体措施

3.1薄板结构件焊接变形的控制措施

因为在焊接过程中,薄板结构件的焊接变形主要是受到热变形与刚性条件的影响。所以,我们可以看出,在焊接过程中要想完全消除焊接变形是不太可能的。而为了进一步确保焊接构件的使用与成品质量,就必须从薄板结构件设计与施工工艺两个方面入手,对焊接变形加以控制。

在设计上,薄板结构件设计除了要满足构件的强度与使用性能之外,还必须满足构件制造中焊接变形最小及耗费劳动时最低的要求。特别是因为,往往在设计图纸中,对版缝布置工艺一旦考虑不周,势必会引发焊接变形。所以,优化板缝的布置,尤为重要。

在施工工艺上,合理的焊接工艺是减少焊接变形,减少应力集中的有效方法。所以,在焊接过程中,为了控制薄板结构件焊接变形,可采取的工艺控制方法,主要有几下几点:第一,在无装配应力强制下进行构件装配;第二,采用自动焊和其他气体保护焊工艺;第三,合理选择焊接规范参数和装配焊接顺序。减少焊丝供给量,降低电流、电压,改变极性。先焊短焊缝后焊长焊缝,采取分段退焊,由内向外依次进行;第四,合理运用刚性固定法,反变形法。

3.2薄板结构件焊接变形的矫正措施

在钢结构的建造过程中,尽管我们已经在其结构件的设计与施工工艺上采取了必要的控制措施,但是由于在实际焊接过程中,引起焊接特点与工艺的复杂性等多方因素影响,一旦出现超出设计要求,工艺所能控制的焊接变形,就必须要进行必要的矫正,以此最大程度降低焊接变形所带了质量与使用上的影响

目前我们所说的薄板结构件焊接变形矫正多指局部变形矫正,如:角变形、弯曲变形、波浪变形等等。而对于构件结构的整体变形如纵向和横向收缩,则只能通过下料或装配时预防余量来补偿

在矫正过中,通过采用机械矫正法与火焰矫正法两种方法:第一,机械矫正法。在实际生产中使用机械矫正法矫正钢结构时,极易引起金属冷作硬化,消耗塑性储备,所以一般情况下,机械矫正法多运用在塑性良好的材料中,如:大型油压机、摩擦压力机等方面的矫正;第二,火焰矫正法。对钢结构使用火焰矫正法时,当矫正冷却后,其焊接构件这部分金属就会获得不可逆转的压缩塑性变形,从而是整个焊接构件变形得到矫正。值得注意的是,在矫正过程中,由于火焰矫正法同样需要消耗一部分塑性材料,所以对于脆性材料活脆性差的材料要谨慎使用。同时,在矫正过程中,也要适当控制火焰加热的温度,温度过高会是材料的机械性能减低,温度过低则会使矫正效率减低。而冷却速递却对矫正效果不产生任何影响。也正因如此,在施工过程中,可采用边加热边喷水冷却的方法,即能提高工作效率,又能提高矫正效果。

结束语

农业机械构件焊接维修的变形与矫正 篇3

由于农业机械的各个组成构件和零部件产生的形变、脱焊开裂可能引起构件的定位尺寸、定位基准发生变化;焊接维修方法不当同样会引起变形, 使定型尺寸和定型基准发生变化。其结果是造成装配困难, 加速磨损, 甚至不能正常工作。因此, 在农业机械构件焊接维修时, 为了防止变形, 必须采取相应的措施。

1 板类构件的焊接变形与矫正措施

1.1 焊接修复构件

焊缝布置和坡口形式要尽可能对称, 焊缝截面和长度尽可能小。这样, 焊接修复构件被加热时间短, 吸收热量少, 变形量也就小, 会使精度相对提高。

1.2 板类构件对接焊接修复

由于加热区域和加热时间不均匀, 容易引起翘曲变形, 影响修复质量。这时可以采用反变形法焊接, 根据型材的厚度, 凭经验估算的焊接变形方向和大小, 在组装焊接时使工件反变形, 以抵消焊接变形, 从而保证焊修质量和形位精度 (图1) 。

1.3 厚板箱型构件直角焊接

由于只能进行单面焊接, 受热不均导致构件局部热应力集中, 容易引起热应力变形, 造成构件的形状、位置及尺寸失准, 给安装带来困难, 严重时甚至不能安装。在构件的适当位置采用刚性固定法, 用固定卡具 (螺旋弓形夹具) 进行夹紧, 强制限制焊接构件产生焊接变形 (图2) 。

1.4 板类构件较大面积对接焊接或补接对缝焊接修复

由于构件焊接时受热面积大, 再加上焊接方法不当, 那么, 局部翘曲变形会更加严重, 极易引起构件的形状、位置及尺寸失准。如果在焊接时采用合理的焊接顺序 (图3标号顺序) , 采用上下左右对称、交叉及分散施焊, 可以大大降低局部受热程度和热变形, 从而保证焊接精度。

敞开式箱型构件在农业机械中应用广泛, 如果焊接修复时产生局部变形, 会给装配带来困难, 也会影响运动件的正常工作, 加速构件磨损。因此, 在焊接修复时要结合焊接变形原理, 采取必要的措施控制焊接修复变形。

2 开口式箱型构件的焊接变形与矫正措施

要想控制开口式箱型的焊接变形, 首先要对其结构进行分析, 结合焊接变形原理, 采取适当的焊接工艺控制焊接维修变形。

2.1 农业机械的开口式箱型构件的结构特点

(1) 箱型构件一般是长直焊缝多, 板壁内、外侧多焊有许多零、部件, 而且这些焊点分布较分散。

(2) 外轮廓尺寸较大、板料薄, 多数是箱体上侧开口, 箱体内没有强化筋, 结构刚性较差。

(3) 由于农业机械的箱型构件多数形状复杂、异型较多, 焊缝在结构上布置不对称, 且焊缝多。

2.2 开口式箱型构件焊接修复变形分析

(1) 由于开口式箱型构件没有中间支撑筋, 定位定型基准确定困难, 焊后箱体侧板容易发生偏移, 产生一定的扭曲变形及收缩变形。

(2) 由于箱型构件的开放式结构, 横截面积一般较小且不封闭, 中间又没有支承筋, 板料薄, 刚性弱, 焊接困难且易变形。

(3) 箱型构件焊接修复变形绝大多数的原因是焊缝在结构上分布没有规律, 此类箱型结构一般是下部焊缝较多, 上部焊缝较少, 因此在焊接修复后焊件易产生变形。

2.3 防变形修复工艺措施

焊接修复变形不仅影响结构尺寸, 而且还会给装配带来困难, 严重时可能无法实现与相关部件装配, 造成一些机件运动发生卡滞或不能运动。因此, 针对开口式箱型结构的焊接变形问题, 结合焊接变形原理, 应该采取以下控制措施。

(1) 焊修前保证对位准确, 焊接时根据实际情况, 力求不使用或尽可能少使用焊接工艺拉筋, 以防变形。

(2) 为保证箱型底部的结构对位准确, 应该设计一组对位支承板, 对其焊修部位进行约束, 以保证箱型焊修时对位准确。

(3) 根据预先估测的焊接后收缩变形的大小, 可将修补尺寸适当加大, 使焊后收缩变形与加大尺寸相互抵消。

(4) 为保证焊修精度, 在焊修时应随时测量不同部位的尺寸变化, 边焊修边随时进行校正。

3 框架构件的焊接变形与矫正措施

农业机械中实用型材焊接的框架构架比较多, 由于受力不均、碰撞及颠覆扭曲等原因, 会产生不同程度的变形或开裂, 在焊接修复过程中还会产生新的变形。较大的变形严重超过农业机械结构标准要求, 因此在焊修时应采用预防为主的工艺措施。

3.1 变形分析

焊修时在相邻槽钢或两钢板的焊缝, 热量过于集中, 容易造成变形。在实际施焊时要注意焊接顺序。在焊接此类容易变形的框架时, 应采用对角焊, 断续焊。即由焊缝中心向两边进行跳焊法施焊, 以减小焊接产生的变形。

3.2 控制措施

有的框架四周3面是槽钢, 刚性相对较大一些。一面是角钢, 刚性差一些。实际焊后角钢面变形最大。可以采取的措施是:焊接前在此处加一块刚性槽钢 (或工字钢) (图2) 。点焊固定, 防止焊接变形。待工件焊接完毕后, 用气割火把烘烤焊缝处, 起到消除焊接应力的作用, 撤掉槽钢后, 变形得到了很好控制。

4 常用的矫正焊修变形方法

矫正焊修变形的基本原理是产生新变形抵消原来的焊接变形。

4.1 机械矫正法

机械矫正法是用机械加压或锤击的冷变形方法, 产生塑性变形来矫正焊接变形。

4.2 火焰矫正法

火焰加热矫正法相反, 它是利用火焰局部加热后的冷却收缩, 来抵消该部分已产生的伸长变形。加热部位必须正确。火焰加热矫正的加热温度一般为600~800℃ (图4) 。

4.3 减少和消除焊接残余应力, 减少焊修变形

H型钢结构件的焊接变形控制 篇4

1 焊接应力变形分析

焊接过程对焊件进行局部而不均匀的加热, 将产生焊缝的纵向缩短和横向缩短, 焊缝的收缩因受到结构材料的限制而产生焊接内应力和变形。变形与焊缝所处位置、焊接的顺序、结构设计、结构刚度4个因素有关。焊缝不对称布置、焊接顺序不当会使构件产生弯曲、扭曲等复杂变形, 结构的不对称与结构抵抗变形能力的大小也会影响构件的焊接变形。而H型钢结构件在制作过程中主要的变形有翼缘角变形、弯曲变形、轴线扭曲变形, 若不采取措施将严重影响构件安装质量, 因此焊前焊中焊后的变形控制显得尤为重要。

2 焊前反变形控制

为抵销焊接变形, 在焊前装配时, 预先将构件向变形的反向进行人为变形, 以平衡构件焊接时产生的变形。

2.1 角变形控制

本工程钢柱主要由如下4种规格H型钢制成:HA700×400×10×16;HA800×440×12×20;HA800×400×12×18;HA800×400×10×16。截面形状为工字形, 由于4条纵向角焊缝的横向收缩, 易引起翼板的“伞形”变形。

如图1 (a) 所示, 如采用夹具把上下翼板夹紧, 对防止“伞形”变形有一定效果, 但夹具少, 未夹到处仍有角变形, 焊后在翼板上会产生波浪变形。翼板边缘可以矫平, 但在中部矫正后又会形成如图1 (b) 所示“三道弯”。因此, 在实际操作中为解决“伞形”变形, 我们采用压力机预先将上下翼板压制成“V”状进行反变形, 如图1 (c) 所示。反变形值a的选择与板厚δ和翼板宽度b的大小有关, 根据现场模拟试验, 测出如表1反变形值。

2.2对接变形控制

在钢柱、梁的制作过程中, 由于构件长度达到了10~17.5 m, 超出进料钢板长度, 必须采用分段对接方式连成一体, 在能保证连接焊缝强度与钢材强度相等时采用对接正焊缝进行拼接。平板V型坡口对接的反变形措施采取如图2 (b) 方式, 对2个对接平板预置1°~1.5°的反变形, 基本上可消除图2 (a) 所示的焊接变形。

3 焊接过程变形控制

焊接过程焊接设备、焊接参数、焊接工艺、焊接顺序的选择及焊接人员操作水平都将影响焊缝质量及构件变形的大小。

3.1 钢柱焊接过程变形控制

由于钢柱尺寸大、焊缝长, 车间购进了4台全自动埋弧焊焊接钢柱4道主焊缝。自动埋弧焊电流大, 热量高, 构件易产生翼缘板角变形、H钢的纵向弯曲、扭曲变形。为防止变形及针对焊接工作的需要自行制作了一个专用的工作台。

如图3所示, (a) 为简易形式, (b) 为现采用形式, H型钢腹板和翼缘板分别与固定架和中间固定架接触, 避免了其自重加重焊接角变形和弯曲扭曲变形而引起翼缘板对腹板的垂直度以及H型钢的弯曲矢量超标。同时将H钢的4条纵向角焊变为船形焊, 腹板与水平位置成45°, 使焊缝处于平焊位置, 很好地控制了焊接变形, 保证焊缝的焊透, 提高焊接质量, 减少熔敷金属。活动架与活动杆的制作是为了便于H型钢的翻身, 进行背部的清根和后道工序的焊接, 减少了操作工人起吊工件时起重设备稍有晃动或外物撞击倾覆工件或撕裂点焊焊缝, 从而造成质量事故。

焊接参数及过程如下:按自动埋弧焊焊接电流、焊接电压、焊接速度这3个工艺参数的合适匹配关系, 结合船形角焊特点, 我们选用焊丝牌号H10Mn2、焊剂牌号为JQ-SJ101的氟碱型烧结焊剂来焊接低合金板。在焊接前采用氧-乙炔火焰在起焊处焊缝两侧宽80 mm, 长800~1 000 mm范围内进行焊前预热。预热后在固定架上焊完第1道焊缝, 工件翻身至右侧活动架, 升降杆下降, 工件紧贴活动杆平置后, 进行图中2处的清根, 清根后升降杆上升, 工件与水平成45°时进行第2道焊缝焊接, 结束后工件起吊换至另一端, 按上述过程进行3处的焊接、4处的清根与焊接。期间要注意保持焊接的同向性, 以避免弯曲和扭曲变形。

3.2.1 翼板与腹板的焊接

为提高承载力, 下翼板应一次折弯成形, 无接缝, 上下翼板和腹板的连接焊缝均应采用全熔透剖口焊。焊接前采用刚性固定法减少弯曲变形和角变形, 即将组装好的梁固定在平台上。为便于清根, 腹板选用两侧开成单V型坡口形式, 焊接顺序如图5 (a) 所示:预热后先焊下弦坡口面角焊缝:焊二层1、2, 第一层焊速稍快, 防止烧穿。再焊上弦坡口面角焊缝:焊二层3、4, 背面用碳弧气刨清根, 清根深4~5 mm。再焊下弦清完根的焊缝:焊二层5、6封面。再焊下弦坡口面焊缝:7封面。再焊上弦清完根的焊缝:焊二层8、9封面。最后焊上弦坡口面焊缝:封面一层10。由于钢梁焊缝较长, 焊接工艺好坏直接影响着变形的产生与否, 为此, 还采用了对称的逆向分段施焊法。如图5 (b) 所示, 将整个焊缝分成若干分段, 每段焊缝长度约400~500 mm, 每一段的焊接方向皆与焊接总方向相反, 选择技术较好且水平相近的4名焊工同时施焊, 这样可将变形减小到最低限度。

3.2.2 端头板等焊接

如图4所示, 肋板1下端刨平与下翼板顶紧后进行焊接, 以提高钢梁承载力, 同时为避免钢梁受冲击振动影响焊缝质量, 与下翼板端保留40 mm高度不焊。同理, 如图6 (a) 所示, 肋板2采用角钢与下翼板顶紧后底部不焊, 角钢上部与肋板搭焊, 焊缝高10 mm, 肋板与上翼板、腹板焊缝高6 mm。为避开角焊缝, 所有肋板应切角15 mm×15 mm, 并采用两侧肋板对称焊接的方法进行焊接;如图6 (b) 所示, 端头板与腹板的焊接选用对称V型坡口全熔透焊接, 并采用中间向两端跳焊顺序以减少端板的变形;如图6 (c) 所示, 垫板1与下翼板、垫板2与端头板的焊接采用纵向2道焊缝逆向焊接的方法可以减少垫板变形。

3.2钢吊车梁焊接过程变形控制

本工程钢吊车梁结构形式如图4所示, 总长9 m, 高1.25 m, 由上下翼板、腹板、肋板、端头板、垫板组成。结合现有焊接设备, 我们采用焊丝1.2 mm, 牌号为H08Mn Si的CO2气体保护焊以25~30 m/h的中等速度进行焊接。由于焊缝在结构上分布的不对称易引起横向收缩的弯曲变形。焊接结构的刚度是随零件逐个装配、焊接而形成的, 从减少结构残余变形的角度出发, 先装成整体后, 再按顺序焊接对减少焊接变形是有利的。如图4, 我们先将组对好的上下翼板与腹板焊接成H型结构后, 再依次对组对好的肋板、端头板、垫板进行焊接。

4 焊后的变形矫正

不论焊前焊中如何控制, 焊接应力或多或少都使构件存在残余应力变形, 残余变形后的矫正常用机械矫正法和火焰矫正法。对钢柱、梁的弯曲变形可用千斤顶、螺丝压杠、压重等方法矫正。批量生产采用翼缘矫正机对钢柱梁的角变形进行校正, 即通过机械力进行反复的强制性校正, 使角变形量控制在标准 (不超过3 mm) 范围内。因工程量大, 车间新购进1台JZJ-800型翼缘矫正机对每条超过标准变形范围的钢柱进行矫正。角变形、弯曲变形、扭曲变形较严重的, 还采用了火焰加热法。火焰矫正位置和顺序是关键, 针对不同变形, 具体矫正有3种方法: (1) 挠曲变形的矫正:采用三角形加热, 对水平板进行矫正, 加热位置选在翼板外凸的一侧, 三角形尖指向腹板方向, 如图7中1处。 (2) 拱变形的矫正:在腹板上进行三角形加热, 三角形尖指向H钢截面中心, 高度约为H的1/3~1/4。加热三角形分布量视弯曲情况而定, 加热顺序应从拱起量最高处向两端布开, 如图7中2处。 (3) 角变形的人工矫正:在梁背面的2道焊缝的对应位置作线状加热, 加热宽度应小于焊角宽度, 加热深度不应超过板厚, 如图7中3处。加热过程根据不同的变形量控制加热温度, 以防校正过量和出现过烧现象, Q345钢火焰矫正的加热温度应控制在600~800℃之间, 在自然状态下冷却。

5 结语

该工程钢结构件均由我公司制造安装, 通过构件制作过程对焊接变形控制的分析对策, 我们对大型H型钢构焊接工艺、焊前焊中焊后的应力变形处理有了一定的经验, 经合理的变形控制, 该工程所有构件经验收均已达标。工程钢柱梁主焊缝和对接焊缝经抽取每条焊缝长度的20%, 但不少于200 mm进行了X射线检测, 检验合格率为100%, 焊缝质量等级也达到了II级标准要求, 工程质量被评定为优良, 目前已投入正常使用。

摘要:以天尊铸业有限公司铸造车间厂房制作为例, 对钢柱梁构件焊接过程出现的应力变形进行分析, 通过制定合理的焊接工艺和反变形措施以及焊后的矫直处理来控制焊接过程产生的各种变形, 以保证构件安装质量。

关键词:埋弧焊接,工艺,H型钢,变形

参考文献

[1]张定久.大板梁焊接变形的控制[J].电焊机, 2001 (8)

[2]陈国光, 鲁才夫, 寿雪苗.钢屋架制作工艺探讨[J].科技信息, 2007 (11)

钣金结构件变形的有限元分析 篇5

钣金配件, 是特有规格的金属板, 经由扭曲及冲压, 建构成合规的结构件。这样制备出来的结构件, 在电子产品现有的构架设计内, 占到了偏大的比值。它常被当成特有的机柜、插件及特有的控制台、面板衔接着的托架等配件的支撑;也可被当成安设及荷载模块的必备载体。经由优化路径下的新设计, 能促动轻量化层级的提升;在限缩原初成本的根基上, 建构出强度偏高的结构件。有限元这样的解析路径, 只供应了配件荷载这样的解析依托, 这就为后续时段内的配件优化, 供应了可用的支持。

有限元架构下的解析办法, 利用特有的数学逼近, 对现有的物理系统, 妥善去模拟。在这之中, 模拟表征出来的对象, 可以分出配件现有的几何状态、现有的载荷状态。经由有限元架构下的解析软件, 对规模偏大的电子产品特有的变形疑难, 予以解析。这一解析的对象, 是产品衔接着的罩盖支架。支架是经由薄板扭曲、冲压成型这样的路径, 制备出来的。因此, 它被划归成钣金架构下的结构件。

2 有限元架构下的建模途径

某公司制备出来的电子产品, 都是经由罩盖支架, 被安设在场地内的机箱顶部。在这之中, 罩盖支架衔接起了罩盖及现有的产品, 建构了稳固的支持。为了增添这一罩盖现有的灵活特性, 就要对构架存留着的挠曲程度, 予以严格限缩。配件涵盖着特有规格的、便薄的那种弯曲板。依循这样的构架及受力特性, 可以解析得来:钣金现有的边界条件, 涵盖了薄板扭曲这样的惯常问题。有限元架构下的解析软件, 对如上的变形疑难, 予以精准的数值模拟, 明晰了不同架构下的扭曲问题。

罩盖衔接着的支架板, 是经由钢板折弯这样的路径, 制备出来的。经由折弯的配件形状, 以及配件现有的整体尺寸, 都要与预设的标准契合。可以把制备好的结构件, 分出两个架构内的模型。在这之中, 第一个架构下的模型, 是主体荷载衔接着的翻边模型, 带有L这样的截面形状;第二个架构下的模型, 是主体荷载方位内的折弯点焊类模型, 带有方筒这样的截面形状。

制备配件的那种原料, 都被看成带有均质特性的材料, 且带有同样属性。在模拟路径下, 接纳了特有的材料参数;把这一架构下的弹性模量, 设定成190GPa;把这一架构下的泊松比, 设定成0.3这样的数值。可用的边界条件, 是在杆体现有的中部方位内, 建构起稳固的支撑;然后在两侧方位内, 添加特有数值的压力载荷。模拟路径下的单元, 也要与预设的规格契合。

软件能供应本源层级内的各类元素, 包括可用的点线面。利用如上的元素, 就可建构出场地内的真实物体, 或者特有的几何形状。这样建构起来的形状, 可以带有三维特性, 也可以经由简化。若要制备合规的薄板, 则可接纳一个特有的平面形状、一个表征着薄厚程度的特有参数, 就能描画出如上的模型了。依循配件现有的几何状态、现有的边界情形、各个方位内的受力状态, 可以选取出配件的一半, 予以辨识和解析。不同架构下的罩盖支架, 应添加不同数值的精准载荷。

3 模拟得来的解析结论

在如上的载荷情形中, 经由运算得来的结果, 可以被表征成数值。描画出来的模型以内, 带有稳固支撑的那些部分, 荷载着最小情形下的挠曲变形;在这些方位内, 结构件现有的挠度, 可被限缩至零。朝向外侧的那种挠曲变形, 会渐渐增加;在端口这样的方位内, 升至最大情形下的挠度。

若接纳了A这样的构架形式, 制备出来的罩盖支架, 涵盖了4.2毫米这样的最大挠度;若接纳了B这样的配件形状, 则制备出来的罩盖支架, 涵盖了0.4毫米这一最大挠度。如上的数值表征出:解析得来的结果, 比对实测获取到的数值, 还是带有偏大的差值的。因此, 在B结构安设的特有支架之下, 杆体涵盖着的变形状态, 要由于A这一架构下的支架杆。与此同时, 若接纳了B这样的安设构架, 也能与设定好的运用条件契合。因此, 有必要更替原初的构件, 安设更优的新颖支架。

4 结束语

很多的钣金配件, 带有质地偏小、比强度偏低这样的特性。这种架构下的结构件, 通常被设定成合规的薄壁形状, 带有复杂的制备路径。钣金结构这样的配件, 涵盖了特有规格的罩盖支架。经由模拟, 表征出这一架构下的有限元。接纳有限元模拟, 可以明晰现有的应用状态, 解析这一构架涵盖着的响应速率、必备的那种应力数值、形状更替的特有信息。要把原初的网格, 予以精准的细化;对构架固有的配件, 予以预设并开发, 要注重限缩成本, 并获取期待中的解析成效。

参考文献

[1]邢晓冬.钣金结构件变形的有限元分析[J].机械工程师, 2008.

变形构件 篇6

1 铝合金构件焊接变形的原因

就当前的现状来看,铝合金构件焊接变形的原因主要体现在以下几个方面。

第一,“熔池”现象,即在铝合金构件焊接工艺开展过程中,部分母材基于焊弧热作用下熔化形成池状,且当“熔池”尺寸、形状过大时,致使部分焊接部位发生变形问题,影响到整体焊接工艺效果。为此,当前技术人员在焊接工艺活动开展过程中,应提高对此问题的重视程度,并对其展开有效处理。

第二,热加工、冷加工交替,即在铝合金构件焊接过程中,涉及到了冷加工、热加工间的频繁交替。热加工过程旨在软化焊接部位,而冷加工的目的在于冷却、定型热加工部位。在热加工、冷加工频繁交替过程中,基于误操作等因素的影响,极易呈现出焊接部位变形问题,从而影响到整体热、冷加工效果。

第三,热量传递,即在铝合金构件焊接部位加工过程中,因焊弧热而产生热量传递过程,而当热量传递效率过大时,母材熔化速度将随之增大,最终就此引发变形现象。为此,在焊接工艺活动开展过程中,应注重针对热量传递过程进行有效控制。

第四,不同部位受热不均匀,即在铝合金构件加工过程中,若不同部位出现受热不均匀现象,亦将在热量传递过程中引发变形问题,从而影响到铝合金构件的正常使用。

2 铝合金构件焊接工艺优化策略

2.1 制定焊接方案

基于装备制造行业工业等领域不断发展的背景下,为了优化当前焊接技术,要求工业行业在铝合金构件焊接工艺活动开展过程中,注重制定焊接设计方案,即从铝合金构件尺寸、形状、规格等角度出发,对构件规格做出明确规定,且细致说明构件焊接要求,从而为焊接人员提供“有章可循”的作业空间,规避误操作等问题的凸显,进而诱发构件变形问题。同时,在焊接方案制定过程中,为了实现对变形问题的有效控制,应针对铝合金构件缝隙偏大现象进行分析、探究,同时合理布设铝合金构件结构,将焊接缝隙数量控制在最低状态下,缓解瞬时变形、残余变形等问题的凸显。此外,基于焊接方案,亦应明确模拟焊接环节的重要性,即要求作业人员在实践焊接作业前,针对焊接要求展开2~3次模拟焊接实验,从而在实验过程中预测变形几率,并分析研究变形原因,最终达到最佳的焊接作业状态。从以上的分析中即可看出,在铝合金构件焊接过程中,强调焊接方案的制定非常必要,为此应提高对其的重视程度。

2.2 提高焊接技术

在铝合金构件焊接工艺活动开展过程中,为了规避瞬时变形、残余变形等问题的凸显,强调焊接技术的提高非常必要。为此,应注重贯穿“岗前培训”理念,即安排焊接人员参加专业化的培训项目,同时基于1次/月培训计划的导向下,对焊接人员工程技术进行训练,以提高其责任意识,即注重在铝合金构件焊接作业中,对执行标准、规格、尺寸、形状等进行反复核查,有效规避人为误操作等问题的凸显,进而诱发变形现象。同时,在铝合金构件焊接作业过程中,要求相关技术人员应通过拉伸方式对构件质量进行评估,且在铝合金构件拼接作业中,采取适当固定方法,并保障各个部位受热均匀性,达到最佳的焊接作业状态。此外,为了满足铝合金构件焊接要求,在焊接工艺活动开展过程中,焊接技术人员应完善水平测试环节,同时将残余变形作为测试参数,达到水平测试目的。同时,基于构件存在变形问题,通过热加工、机械变形矫正等方法,对残余变形问题作出适当处理,以达到最佳的焊接工艺作业效果。

2.3 加强焊接过程控制

在铝合金构件焊接变形问题处理过程中,焊接过程的控制应从以下两个层面入手。

第一,在铝合金构件焊接工艺开展过程中应注重坚守“预防为主”理念。在焊接作业中,实施反变形、刚性固定组装等控制方法,对焊接过程进行操控,规避瞬时变形、残余变形等问题的凸显。同时,在焊接作业过程中,应注重实时观测焊接状态,从而在发生变形问题时,借助机械外部或通过热加工方式,对变形现象进行有效处理,达到最佳的焊接工艺实施状态。

第二,在铝合金构件焊接工艺过程控制过程中,应严格遵从焊接工艺设计要求,同时运用焊接经验,对变形现象进行控制。例如,某焊接技术人员在实践焊接作业开展过程中,针对变形构件进行了返修处理;同时,在返修处理过程中,注重利用能量密度高的热源,对焊接受热面积进行控制,达到了最佳的焊接工艺施工状态。可见,焊接工艺过程控制有助于提升整体焊接工艺水平。因此,应强化对其的有效落实,达到高效率焊接工艺作业的效果。

2.4 优化焊后检查环节

在焊接工艺后期检查工作开展过程中,为了规避瞬时变形等问题的凸显影响到铝合金构件的正常使用,应注重在工件焊接完毕后,做好无损检查工作。例如,在无损检查作业中,清理焊缝两侧焊渣、残存焊剂等,就此缓解残存焊剂腐蚀工件表面等问题,保障工件质量。此外,在焊后检查工作开展过程中,为了提升整体工艺焊接水平,亦应针对焊瘤、焊接接头等过高现象进行去除处理,同时向缺陷两头扩散80~95mm,实现对缺陷部位的有效处理。另外,在缺陷问题处理过程中,若缺陷区域指向内侧或外侧,那么在返修作业中,应做好缺陷处修补工作。除此之外,由于焊条长短关系着焊接工艺水平,因而在此基础上,焊接技术人员在实践焊接作业环节开展过程中应提高对此问题的重视程度,并注重综合电弧电压因素的影响。在焊接作业中,通过数值模拟试验方式对电弧电压数值进行调节,从而满足铝合金构件焊接工艺要求,达到最佳的工艺设计状态。同时,在铝合金构件检查作业中,亦应强调对射线探伤、超声波探伤等方法的应用,从而实现对变形位置的定位处理,达到最佳的变形问题处理效果。

3 结论

综上可知,当前铝合金焊接工艺在开展过程中仍然存在着瞬时变形、残余变形等问题,影响工件的质量。因此,为了提升整体焊接工艺水平,要求焊接技术人员在实际工作开展过程中提高自身“预防为主”的作业理念,同时在构件焊接工艺中,针对变形现象做出适当处理。例如,从优化焊后检查环节、提高焊接技术、制定焊接方案等层面入手,对铝合金构件焊接工艺进行有效控制,以期提升整体工件设计水平。

摘要:从铝合金构件焊接变形的主要原因入手,详细阐述了焊接工艺优化策略。

关键词:铝合金构件,焊接变形,优化

参考文献

[1]潘德刚.铝合金构件焊接变形研究及焊接工艺优化[D].长春:吉林大学,2014.

[2]蒋丰胶.手动托盘车焊接变形研究与焊接工艺优化〔D].杭州:浙江大学,2013.

[3]张增磊.铝合金焊接应力变形数值模拟研究及应用[D].北京:清华大学,2013.

[4]吕涛.钛合金舱体结构件激光点焊变形预测与焊接顺序优化[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[5]刘国庆.铝合金薄壁贮箱结构焊接变形预测及控制[D].上海:上海交通大学,2013.

[6]李剑.铝合金薄板超声搅拌焊接装备与工艺研究[D].长沙:中南大学,2011.

[7]李菊.钛合金低应力无变形焊接过程机理研究[D].北京:北京工业大学,2014.

变形构件 篇7

关键词:薄壁结构件,装夹方案,加工顺序,仿真分析

0 引言

随着现代制造业的发展,对飞行器综合性能的要求也在不断提高,而在其结构设计方面也发生了比较大的变化,更轻的质量、更高的结构强度逐渐成为现代飞行器发展的主要趋势。铝合金相较其他金属密度较小,在相同体积下,铝合金零件的质量较轻,在航空航天工业发展的早期即得到了广泛的应用。而相较传统结构设计,薄壁整体结构件的应用则大大减小了飞机、火箭等飞行器的零部件数量,减轻了制造过程中加工工序及装配工作量,提高了生产效率。同时其大大减轻了飞行器的结构质量,进而提高了飞行器的远程飞行能力和机动性[1,2]。因此,铝合金结构件在飞行器的设计制造中的应用日趋广泛。

然而由于铝合金结构件多为薄壁结构,在其加工过程中超过95%的毛坯料都被铣削加工以切屑的形式去除,当加工完成并卸除装夹后,在残余应力作用下零件很容易发生整体的弯、扭以及翘曲变形。薄壁整体结构件加工变形比较复杂且较难控制。目前多数情况下的解决方法是对加工零件进行校正,通过对零件变形趋势的相反方向施加相应的作用力或对工件进行热处理以减小其变形。然而校正后工件仍存在应力甚至裂纹等问题,造成零件的强度较低进而失效。铝合金结构件的加工变形问题己成为困扰航空航天工业发展的关键技术难题之一。

国内外研究者对薄壁件的加工变形进行了大量的研究。Shane P.Siebenaler[3]等人使用仿真分析方法,通过调整装夹支撑点的位置,对比了几种不同的装夹条件下零件的加工变形,试验预测了装夹变形,并通过试验进行了修正。J.Tlusty[4,5]等人针对薄壁件的变形问题提出了通过有效利用零件的未加工部分作为支撑以提高工件的整体刚度,从而获得优化的刀具路径的方法。Jitender.K.R[6]通过构建薄壁件铣削加工变形的有限元分析系统,该系统获得的薄壁件铣削加工变形量、应力场以及温度场等模拟结果与实验结果吻合较好。

本文在已有文献的基础上,以2124铝合金薄壁结构件铣削加工为研究对象,建立了用于预测薄壁结构件整体加工变形的有限元仿真模型,通过仿真分析残余应力的再分布对加工变形的影响规律,根据薄壁件的结构特点优化了装夹方案和特征结构的加工顺序,控制了薄壁结构件的加工变形。

1 有限元仿真模型构建

1.1 几何模型

本文选取双面槽腔2124铝合金薄壁结构件作为实验对象,零件几何模型如图1所示,全长1 200 mm,宽600 mm,侧壁厚2 mm,零件中心部位是直径为400 mm的圆形通孔,并由8个对称的隔框结构组成,其反面结构与正面相同。

1.2 材料属性

将几何模型导入Abaqus/CAE软件中,由于本文研究对象的材料为2124铝合金材料,所以设定模型的材料属性为:密度ρ=2 840 kg/m3,弹性模量E=72 GPa和泊松比μ=0.33,划分网格后有限元模型如图2所示。

1.3 设定毛坯初始残余应力

利用盲孔法测得预拉伸板材毛坯表面的残余应力,并根据力平衡、力矩平衡的原则,计算出毛坯件内部初始残余应力值,并将毛坯的残余应力加载到Abaqus仿真模型中,残余应力的分布如图3所示。

2 装夹方案仿真及优化

薄壁结构件具有体积较大、局部刚度差、材料去除率高等特点,因此在工件加工完成后易发生较大的整体加工变形,其原因主要是高的材料去除率导致的毛坯残余应力释放和重分布。研究表明,不同的装夹方案对工件内残余应力的分布产生重要影响,通过选择合理的装夹方式并对装夹方案予以优化,是控制薄壁结构件整体加工变形的有效方法。

2.1 初始装夹方案

根据双面槽腔零件的结构特点,本文采用在零件侧部设立工艺凸台的方法对工件进行装夹。在具体加工过程中可根据机床工作台尺寸及T型槽位置,采用压板压紧或工艺凸台上钻沉头孔并通过螺栓预紧将工件固定在机床工作台上,以达到夹紧工件的目的,并在加工结束后将工艺凸台切除。

在设定工件初始装夹条件时考虑到若工艺凸台的数量过少,在零件加工过程中可能出现工件变形量过大,精度难以得到保证。若工艺凸台数量过多,会增加凸台的加工、切除时间。并且在工艺凸台后会造成已加工完成零件残余应力的二次释放,凸台数量过多可能会造成较大变形。因此,本文综合考虑上述原因,选定初始装夹方案如图4所示,首先在零件尺寸较大方向上的孔内侧设定2个工艺凸台,同时在该垂直方向孔内侧对称设定一对工艺凸台。

2.2 装夹仿真分析

根据初始装夹方案,设置模型初始边界条件。在初始装夹方案中工艺凸台的对应位置设置了若干节点集,并限制其6个方向的自由度,以模拟初始装夹方案,如图5所示。

利用“单元生死”技术,在Abaqus/CAE软件中从工件的一侧按照顺序依次切除各框的材料至另一侧,而后将工件翻转加工其反面。零件的加工变形如图6所示,图中亮色区域为最大变形处。

由图6可知,由于框体一侧一端的材料首先被切除,残余应力释放,该端翘起变形,直至加工到该面另一端,由于反面的毛坯材料并未被切除,工件单侧残余应力释放,且两端刚度较小,因此两端均产生翘起变形,零件整体弯曲。随着工件反面的材料也被切除,残余应力的释放逐渐趋于平衡,两端的翘起又逐渐减小,直至工件整体加工完成。读取Abaqus仿真软件的odb文件,双面槽腔零件的最大变形量为0.748 mm。

零件最大变形出现在两端,调整装夹方案,即在零件的侧面增加4个对称的工艺凸台,将零件长度方向2个凸台位置由孔内部调整至零件两端。优化后装夹条件的凸台位置如图7圈出所示,调整装夹方案后的仿真变形如图8所示。

经过第1次装夹优化后的零件最大变形量为0.223 mm,与优化前相比,减少了70.2%,优化效果明显。

由图8变形云图可知,工件加工变形过程中的翘曲变形发生了改变,在初始装夹条件下,工件的翘起主要发生在工件的两端,在装夹条件优化后,翘起位置由两端向零件的内侧移动。其原因主要是,两端增加的工艺凸台提高了零件两端的局部刚度,随着结构件局部刚度的改变,最大变形量由零件的两端向刚度较弱的位置移动。

根据上述仿真分析结果,对装夹条件进一步优化,在工件的两侧刚度相对较弱的位置(即变形量较大位置)增加4个对称的工艺凸台,如图9所示。凸台位置如图中圈出所示,调整装夹方案后的仿真变形如图10所示。

经过第2次装夹优化后的最大变形量为0.093 mm,与前一次相比,减少了58.3%,优化效果明显。

由图10可知,通过进一步装夹优化,零件两端的翘起变形、零件整体的弯曲变形均有明显改善,零件的主要变形形式由整体翘曲变形转为局部变形,变形量也大幅减小。考虑工艺凸台的数量过多会增大加工过程中的走刀难度,并且工艺凸台却除后,工件内部的残余应力会进一步释放,造成工件的二次变形,工艺凸台越多则需切除的材料就越多,释放的残余应力越大,相应的变形也就越大。因此综合考虑上述原因将上述装夹条件设定为最终的装夹方案,如图11所示(在圈中部位为需设立的工艺台位置)。

3 加工顺序仿真及优选

双面槽腔铝合金薄壁结构件由多个框组成,在实际的切削加工时,随着材料的去除,零件的刚度是不断变化的。工件加工完成并卸去装夹系统以后,随着工件内温度冷却到室温,工件内的应力也重新分布达到新的平衡状态,从而引起零件变形。由于加工顺序的不同,零件的整体刚度变化及残余应力释放的方式不同,在加工过程中产生的整体变形也就不同。因此可以确定隔框加工顺序的先后对零件加工变形有很大的影响。铣削加工顺序优化研究就是在铣削用量、刀具的走刀路径、装夹方式等条件不变的情况下,进行的不同隔框加工顺序的模拟,通过模拟结果分析获得加工变形最小的隔框加工顺序。

3.1 加工顺序方案

仿真试验针对双面槽腔零件的结构特点,对其典型结构特征(隔框)进行离散化编号,并根据编号设定不同的加工顺序,即环形铣削加工走刀、顺序铣削加工走刀以及对称铣削加工走刀3种,如图12所示。

3.2 加工顺序仿真分析

利用“单元生死”技术,在Abaqus/CAE软件中按照上述加工顺序对零件进行仿真分析,加工完成后的零件变形云图如图13~15所示,图中亮色区域为零件变形最大处,最大变形量如表1所示。

从图13~图15可知,虽然加工顺序有所不同,但是各方案的零件最终变形位置及形式基本一致,对比图13(d)与图15(d)可以看出环形铣削加工与对称铣削加工的变形云图非常接近,最大变形均出现在零件两侧的圆弧侧壁,而在零件的中部均出现了较大面积的少量变形。

对比表1中不同加工顺序的变形结果,顺序铣削加工的变形量最大为0.112 mm,而对称铣削加工变形量最小为0.067 mm,仅为顺序铣削加工的59.8%,其原因主要为对称铣削加工是对称切除各框体结构材料的,因此工件各部位的残余应力是对称释放的,这使得由毛坯材料切除引起的残余应力释放获得了一定程度上的平衡,而随应力重分布而产生的应变因此相对较小。

4 零件加工

在高速数控加工中心上进行了实际零件铣削加工,装夹方案及槽框加工顺序按仿真优化结果实施,加工实物如图16所示。

采用三坐标测量机测量得到薄壁件最大翘曲变形量为0.082 5 mm,模拟结果与实验测量结果之间偏差约23.1%,考虑到数值模拟仿真时的简化、毛坯真实初始残余应力的误差以及未考虑切削载荷的影响,认为仿真结果是可以接受的,能够满足大型薄壁结构件加工变形仿真预测的要求。

5 结语

本文针对2124铝合金薄壁结构件,建立了基于Abaqus软件的加工变形预测有限元模型,通过研究和分析残余应力对加工变形的影响规律,获得了装夹条件对零件整体加工变形的影响规律,优化了薄壁结构件的装夹方案,使零件的加工变形量由优化前的0.748 mm减小到优化后的0.093 mm,减小了87.6%。并以优化的装夹条件为前提,对不同的加工顺序进行仿真分析,通过对比不同加工顺序产生的变形量,优选了双面槽腔结构的加工顺序为对称铣削走刀路径,加工变形量为0.067 mm。经过装夹方案优化和加工顺序的优选研究,控制了薄壁结构件的加工变形,满足了大型薄壁结构件加工精度要求。最后再通过铣削加工进行了实验验证,实验结果表明在误差允许的范围内,仿真预测结果是可以接受的,能够满足大型薄壁结构件加工变形仿真预测的要求。

参考文献

[1]孙杰,柯映林.残余应力对航空整体结构件加工变形的影响分析[J].机械工程学报,2005,41(2):117-122.

[2]白万金.航空薄壁件精密铣削加工变形的预测理论及方法研究[D].杭州:浙江大学,2008.

[3]S.P.Siebenaler,S.N.Melkote.Prediction of workpiece deformation in a fixture system using the finite element method[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2006(46):51-58.

[4]J.Tlusty,S.Smith,J.Badrawy.Design of a high speed machine for aluminum aircraft parts[J].Manufacturing Science and Technology,1997(2):253-259.

[5]J.Tlusty,S.Smith,W.R.Winfough.Techniques for the use of long slender end mills in high speed milling[J].Annals of the CIRP,1996,45(1):393-396.

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