一种殷瓦钢长桁的加工变形控制方法

摘要

本发明属于航空工艺装备设计及制造技术领域，涉及一种殷瓦钢长桁的加工变形控制方法。包括水切割精准切边下料、低温退火去应力、利用光顺切削方法改变减小残余应力对零件变形的影响三个部分。应用水切割常温状态下料，顺着纤维方向，单边仅留1mm左右余量，切削力与工件相对作用力小，能极大减小表面残余应力的峰值，能够减小工件变形量30％。低温退火是采用与振动、钳工校形相结合的方式，工件产生的残余应力较小，达到了控制残余应力的目的。应用“光切”法加工后工件精度公差已经达到0.06mm～0.08mm，经热压罐热循环后，工件变形面积≤20％，极大的减少了因变形造成工件无法使用的情况。

说明书

技术领域

本发明属于航空工艺装备设计及制造技术领域，涉及一种殷瓦钢长桁的加工变形控制方法。

背景技术

本项目殷瓦钢长桁，用于在热压罐中加温加压状态成型零件。实际应用中经常出现新制的长桁工件完全符合图纸要求，变形面积≤10％，变形量≤0.1mm，但在进热压罐加温加压后出现大面积变形，当变形面积超过60％，变形量在 0.3mm以上，该状态的长桁工件已经不能满足使用要求，会导致成型零件时出现空腔、孔隙和纤维褶皱等情况，严重影响零件质量，只能做报废处理，由于殷瓦钢价格较高，造成成本翻倍增加。当变形面积20％～60％时，变形量在0.15～ 0.3mm，只能进行返修处理，但由于殷瓦钢难加工，返修生产周期长，严重影响飞机的交付时间节点。因此，提高长桁工件的加工质量，控制工件加压加热后的变形量是亟待解决的问题，也是本发明的主要研究方向。

发明内容

针对殷瓦钢长桁工件进炉加压加热变形问题，主要原因为工件在加工过程中产生的残余应力，在外部环境变化下，超过了材料本身的屈服极限，造成工件为了达到“自平衡状态”产生变形。即

σ外+σ残>σ屈

σ外：外部作用力

σ残：内部及表面残余应力

σ屈：材料屈服极限

在热压罐额定温度及气压下，外部作用力σ外为恒定值，只有通过加工工艺的改变减小工件内部及表面的残余应力σ残，以达到减小工件“热循环”后变形的目的，因此，本发明通过下料方式及方向的合理选取、合理的热处理方式及温度控制、表面残余应力去除的加工方法等方式完成减小工件残余应力，减小“热循环”后变形的目的，具体核心技术为：

一种殷瓦钢长桁的加工变形控制方法，包括：水切割精准切边下料、低温退火去应力、利用光顺切削方法改变减小残余应力对零件变形的影响三个部分。

(一)水切割精准切边下料

依据殷瓦钢特性--低膨胀系数，不适合采用火焰切割，在火切割下料后工件毛料边缘均有2～3mm波纹缺陷，工件变形较大，为应力集中区域，不利于控制工件变形。固而采用水切割下料，具体方式为：

①板材需在常温状态下进入水切割设备，在温度较高状态下(大于60℃) 进入设备，下料后毛坯变形量增加150％～200％。

②需沿着板材纤维方向下料，见图2，与垂直纤维方向下料比较，后续加工变形可减小30％。

③利用数控加工精准切边，沿着工件三维模型最大外廓投出的二维边缘，保证单边均匀1mm余量，减小因余量不均匀，导致加工中切削力急剧变化，造成工件局部残余应力变大的情况。

使用水切割精准切边下料，能够避免边缘缺陷的问题，减小毛坯本身残余应力的产生。由于单边余量均匀，加工中切削力无明显变化，并由于单边仅有1mm 左右余量，加工中切削力较小，产生的表面残余应力较小，达到了控制表面残余应力的目的。

(二)低温退火去应力

殷瓦钢数控加工后，为了消除残余应力，需进行退火处理，退火温度一般为530～550℃，保温1～2小时。本项目长桁属于长窄件结构，极易变形，使用常规退火温度及保温时间后，变形量达到2～3mm，给后续校形造成极大困难，且因校形产生的残余应力也会较大。固而采用低温退火去应力，具体方式为：

①由于单边仅有1mm左右的加工余量，退火去应力工序安排在半精加工后，精加工之前。

②由于退火温度较低，不能完全消除残余应力，在退火前需进行振动去应力，并配合钳工校形，使工件变形量控制在0.1～0.2mm。

③退火去应力温度为315±10℃，保温4小时，随炉冷却或空气冷却，其中保温时间应随着工件横截面积的增大而加长，见图3，在退火去应力时应该缓慢加热至需求温度，随炉冷却一段时间后(2～4小时)，空冷缓慢冷却，以防止产生新的残余应力。

(三)利用光顺切削方法改变减小残余应力对零件变形的影响

如图4中刀具轨迹位置为应力集中区域，表面残余应力层约在已加工表面 0.1mm～0.2mm之间，应力峰值区约在已加工表面40μm～60μm之间，工件整体精加工后，再利用φ16R0.2立铣刀，低转速，低进给量(F＝200mm/min，S＝800 r/min)，进行无切削量的“光切”加工，去除工件表面残余应力的应力区峰值，由于切削速度对残余应力的产生影响最大，因此较低的线速度能够完成应力峰值的去除的同时减小再次形成应力峰值的可能。因此应用“光切”方法及辅助钳工打磨可大幅度消除残余应力，并可提高工件表面精度。

本发明主要效果有如下：一是水切割精准切边下料，应用水切割常温状态下料，顺着纤维方向，单边仅留1mm左右余量，较常规下料方式减小变形量60％，由常规下料后变形1mm～1.5mm减小到0.4mm～0.6mm左右，为毛坯校形，去应力打下良好的基础。相较单面至少5mm余量的常规下料方式，1mm余量加工量小，切削力与工件相对作用力小，能极大减小表面残余应力的峰值，能够减小工件变形量30％。二是低温退火去应力，采用与振动、钳工校形相结合的方式，工件变形量：静置12小时后，厚度翘曲0.5～1mm侧面弯曲变形：静置12小时后，侧弯变形量≤0.2mm～0.5mm，经钳工校平校形后，厚二面变形量≤0.1mm,侧面弯曲变形≤0.1mm，均达到了后续加工要求。由于较小的变形量，以极小的力施加在工件上就可以达到校形的目的，工件产生的残余应力较小，达到了控制残余应力的目的。三是通过测量报告可发现，应用“光切”法加工后工件精度公差已经达到0.06mm～0.08mm，经热压罐热循环后，工件变形面积≤20％，变形量可以控制在0.08mm～0.15mm之间，已经符合了使用要求，极大的减少了因变形造成工件无法使用的情况。

附图说明

图1为本发明殷瓦钢长桁示意图。

图2为本发明下料方向选取示意图。

图3为本发明退火截面示意图(h为截面厚度)。

图4为本发明应力集中区应用“光切”法去除表面残余应力示意图。

具体实施方式

下面结合附图及技术方案对本发明的具体实施例加以说明：

本发明以典型长桁成型模为例。如图1所示，选取尺寸宽R、厚H、长L为25mmX43mmX1420mm阴瓦钢长桁，具体施工工序为：

工序1：毛坯下料，应用火切割将板料切断，空冷到室温后，再进行水切割设备下料，下料时沿着板材纤维方向，单边放量1mm，随三维最大轮廓放量。

工序2：钳工校形，平面度≤0.2，平行度≤0.2。

工序3：数控加工厚二面及四周，平面度≤0.1，平行度≤0.1。

工序4：数控粗加工工件，留0.6mm余量。使用瓦尔特φ66R3.5大进给铣刀，ap＝0.3mm，F＝5100mm/min，S＝800r/min。

工序5：数控半精加工工件，留余量0.3mm。

刀具1：D20R0.8立铣刀半精加工四周，ae＝0.3mm S＝800r/min。

F＝200mm/min。

刀具2：D16R8仿形铣刀半精加工型面，ap＝0.3mm S＝2500r/min。

F＝3600mm/min。

工序6：振动去应力。

工序7：钳工校形，平面度≤0.1，平行度≤0.1。

工序8：退火去应力。具体技术要求为：315±10℃，保温4小时，随炉冷却或空气冷却。

工序9：钳工校平，平面度≤0.1，平行度≤0.1。

工序10：数控精加工工件。

使用DT50R2.5 T型圆刀片铣刀精加工型面，ap＝0.2mm，ae＝0.3mm。

S＝1500r/min F＝4500mm/min。

工序11：应用“光切”法精加工重要型面，使用φ16R0.2立铣刀无切削量精加工重要型面，S＝800mm/r，F＝200mm/min。

工序12：测量，数控测量机测量，公差要求：重要型面±0.1mm，其他型面±0.15mm。

工序13：热循环试验，进热压罐进行使用状态验证，要求试验次数≥4次，工件重要型面变形量≤0.1mm，其他型面变形量≤0.15mm，变形面积≤20％。