加工应力变形（精选10篇）
加工应力变形 篇1
0 引言
工件在焊接后产生的残余应力在机械加工过程中会释放和重新分布,这对车架的变形产生直接影响。由于残余应力的复杂性,以及对其预测和消除技术的可控性难以把握,所以一直以来没有受到更多的关注和研究。综合国内外相关资料可以看出,影响铣削加工变形的主要因素有三种:工件初始残余应力的存在,铣削力和铣削热载荷的影响以及加工过程中装夹力的作用[1,2]。铣削加工变形方面虽已有了初步的成果,但是由于工件焊接结束之后残余应力的重新分布规律难以把握,所以工件焊接残余应力对铣削加工的影响有待进一步研究之中[3]。本文在前人研究的基础上,以重型运输车车架试验件为研究对象,采用单因素研究方法,仅仅考虑焊接残余应力对铣削加工的影响,应用ANSYS有限元分析方法初步尝试研究焊接残余应力对铣削加工残余应力重新分布和变形规律,有利于对铣削加工变形进行预测和相应的控制,为实际工程应用提供有效的理论指导作用。
1 铣削加工有限元分析
1.1 有限元模型的分析
在对试验件铣削加工变形的有限元分析过程中,需建立正确有效的有限元模型,建立模型的原则应能反应出结构的几何形状、材料特性、边界条件和加载方式[4,5]。试验件由三块厚度为6 mm的钢板搭接焊成,研究中焊接试验件的结构和材料参考重型运输车车架来选择,如图1(a),(b),(c)所示,焊接试验件材料和板厚与重型运输车车架一致,焊接长度为400 mm。依据以上原则,在ANSYS中建立的有限元模型如图1(d)所示,从中可以看出,中间体的划分部分为铣削框槽,焊道编号为1、2、3、4。
1.2 焊接残余应力的获取与施加
焊接残余应力的影响因素很多,本文主要考虑了焊接功率、焊接速度和焊接顺序三个不同的因素,并且取不同水平进行焊接模拟,其中焊接功率P取4 kW,4.5 kW,焊接速度v选择28 cm/min,32 cm/min,焊接顺序分别选取1-2-3-4、2-3-1-4、3-4-1-2,通过多因素组合的方式进行有限元数值模拟,获得焊接残余应力分布均匀且最小的一组作为初始残余应力施加到铣削加工有限元模型进行数值模拟。
图2和图3分别显示了在不同焊接顺序和不同工艺参数下的焊接残余应力分布曲线,比较图2(a)各图可以看出,在焊接功率为4 kW,焊接速度为28 cm/min的工艺参数下,焊接顺序为2-3-1-4时所获得的焊接残余应力最小,最大值为175 MPa左右;比较图2(b)各条分布曲线可以看出,在焊接功率为4.5 kW,焊接速度为32 cm/min的工艺参数下,焊接顺序为2-3-1-4时焊接残余应力值最小,其最大值为200 MPa左右;由此可知,在焊接功率为4 kW,焊接速度为28 cm/min,焊接顺序为2-3-1-4的条件下焊接可得到较小的焊接残余应力。比较图3(a)中各条残余应力曲线可以看出,在焊接速度为28 cm/min,焊接顺序为2-3-1-4,焊接功率为4.5 kW时可获得的焊接残余应力最大值大约为260 MPa,远大于焊接功率为4 kW时焊接残余应力;比较图3(b)中各条残余应力曲线可知,焊接速度为32 cm/min,焊接顺序为2-3-1-4,焊接功率为4.5 kW时的焊接残余应力较小,最大值为240 MPa左右;比较图3(a)和(b)可得,选择焊接功率为4 kW,焊接速度为28 cm/min,焊接顺序为2-3-1-4的条件下焊接获得的焊接残余应力值最小,与图2总结的结果具有一致性,且在该焊接残余应力下产生的焊接变形较小。因此,在研究焊接残余应力引起铣削加工变形时,将焊接功率为4 kW,焊接速度为28 cm/min,焊接顺序为2-3-1-4的条件下产生的焊接残余应力作为初始应力作用到铣削加工模型进行有限元数值模拟。
2 结果分析
2.1 焊接残余应力释放和重新分布
本文取上翼板距离焊缝边缘10 mm平行于焊缝方向(A-B路径),上翼板垂直于焊缝方向距离铣削框槽左侧10 mm(C-D路径)的几条路径对该车架试验件的纵向和横向残余应力进行分析。
从图4(a)、图5(a)和图6(a)中可以看出,在铣削加工的过程中平行于焊缝方向的纵向残余应力基本呈现拉应力,并且两端的拉应力值较小中间较大。如果没有对车架进行铣削加工而仅仅研究焊接残余应力的变化规律,纵向残余应力在中间位置应呈现出很大的残余拉应力,且由于焊接热源在中间位置基本处于稳定状态,所以该处的残余应力应是平滑的过渡。但是在铣削框槽附近拉应力表现出减小的趋势,主要原因可能是在铣削的过程中产生了一定压应力和残余应力对称释放造成的。横向残余应力在两端处呈现出一定的压应力,这是焊接热源作用的结果,铣削加工对其基本没有影响,中间位置处表现出较小的拉应力,且在框槽的左侧横向残余应力有增大的趋势,右侧则呈现减小的趋势,可见铣削加工对横向残余应力的影响变的相对复杂,这主要是因为在铣削加工过程中焊接残余应力的释放和重新分布的规律不确定性造成的。铣削加工后纵向和横向残余应力虽都有减小,但是纵向残余应力仍然远远大于横向残余应力。
从图4(b)、图5(b)和图6(b)中可以得知,垂直于焊缝方向上纵向和横向残余应力变化趋势基本相同,都是迅速减小然后再缓慢变化的过程。纵向残余应力在起始端表现出很大的残余拉应力值,迅速减小后呈现出很小的稳定的残余拉应力,而横向残余拉应力值则较小,且逐渐过渡到残余压应力。还可以看出纵向残余应力明显大于横向残余应力,这主要原因是焊接热源的移动对纵向残余应力的影响较大,铣削加工虽然使残余应力释放和重新分布,但对纵向和横向残余应力都有所改变,因此铣削加工后的变化趋势与焊接残余应力的变化趋势基本相似,但是拉应力值明显减小,压应力值有所增大。从图4～图6中还可以看出,随着铣削框槽尺寸的增大,平行于焊缝方向的纵向残余拉应力值逐渐减小,横向残余拉应力值也逐渐减小,但是压应力值呈现出先增大后减小的趋势;垂直于焊缝方向的纵向残余拉应力值逐渐减小,而残余压应力值逐渐增大,横向残余拉应力逐渐增大,残余压应力先增加后减小。由此可见,焊接重型运输车车架试验件铣削加工后残余应力的规律是非常复杂的,不是一个简单的增大减小的过程。
a) 优化电化絮凝器在煤水处理中的应用(b)路径C-D
2.2 焊接残余应力引起铣削变形
图7,图8是焊接重型运输车车架试验件不同尺寸铣削框槽变形云图。从图中可以看出,焊接残余应力的释放和重新分布导致x向和y向的变形量均呈现对称分布,且y方向的变形量比较大,x向变形量相对较小。而铣削加工对x方向变形影响较大,对于x方向,变形量在焊接区域全为负值,框槽附近区域负值表现的更加明显,其他区域过渡为正值,体现为两端翘起,中间内凹。随着铣削框槽尺寸的增加,x向变形量最大值逐渐减小,并且铣削框槽附近以及焊接区域的变形量也逐渐减小。
对于y方向的变形量,上翼板整个出现正值,但是比较小,呈现出上拱的现象,而下翼板的变形量呈现负值,表现为向下拱的现象,由于距离铣削框槽较远而影响较小,变形的结果主要是焊接残余应力分布不均匀导致的;且随着铣削框槽尺寸的增大,上拱的变形量逐渐减小,下拱的变形量逐渐增大,这主要是由于残余应力的分布不均匀造成变形量分布的复杂性。
图9是不同尺寸铣削加工x向(厚度方向)的变形模拟曲线图,在模拟过程中取上翼板距离焊缝边缘5 mm(路径A-B)和下翼板距离焊缝边缘5 mm(路径C-D)且间隔为20 mm的各个节点作为模拟点,研究铣削加工后x向的变形规律。
从图9中可以看出,铣削变形呈现出相似的变化趋势,两端变形量为正值,中间变形量为负值,即表现为两端翘起中间内凹的现象。随着铣削框槽尺寸的增大,两端的变形量的正值有所减小,中间铣削框槽附近变形量的值也逐渐减小;还可以看出,后焊接区域变形量大于起始焊接区域,上翼板变形量大于下翼板变形量,与前面变形云图分析基本相同,变形量变化规律与应力变化规律相吻合。可能原因是焊接残余应力在铣削加工过程中释放和重新分布随着铣削框槽尺寸的增大而表现出规律的变化趋势,最终导致变形量逐渐减小。
3 小结
1) 建立了焊接试验件铣削加工的有限元模型,模拟了不同焊接工艺参数下的焊接残余应力分布情况,获得了最小焊接残余应力,提取该最小焊接残余应力作为初始应力施加到模型中,进行铣削加工数值模拟。
2) 运用ANSYS模拟了铣削加工残余应力重新分布的变化规律。结果表明:铣削加工后的车架两端纵向和横向残余应力主要表现为残余压应力,而焊缝区域则表现为残余拉应力;随着铣削框槽尺寸的增加,纵向残余应力变化幅度很大,横向残余应力变化小,纵向残余拉应力降低,残余压应力升高,横向残余拉应力升高,残余压应力降低。可见,铣削加工对纵向残余应力影响较大,对横向残余应力影响较小。
3) 运用ANSYS模拟了残余应力的变化引起焊接试验件变形规律。结果表明:铣削加工后整个车架在x方向呈现两端翘起,中间内凹的现象;随着铣削框槽尺寸的增加,x方向上变形量的最大值逐渐减小,并且框槽附近变形量亦减小。y方向呈现出上翼板上拱,下翼板下拱的现象,且随着铣削框槽尺寸的增大,上拱量减小,下拱量增大。
摘要：焊接过程会产生残余应力,铣削加工后焊接残余应力释放和重新分布对铣削变形产生很大影响。为了研究残余应力释放和重新分布规律,采用有限元方法以最小焊接残余应力作为初始应力对铣削加工进行了数值模拟,获得了焊接试验件铣削加工残余应力和变形,并对焊接残余应力释放和重新分布以及加工变形进行了分析。
关键词：重型运输车车车架,铣削,残余应力,加工变形
参考文献
[1]王立涛.关于航空框类结构件铣削加工残余应力和变形机理研究[D].杭州:浙江大学,2003.
[2]郭魂.航空多框整体结构件铣削变形机理与预测分析研究[D].南京:南京航空航天大学,2005.
[3]王运巧,梅中义,范玉青.航空薄壁结构件加工变形控制研究[J].现代制造工程,2005,(1):31-33.
[4]武凯,何宁,姜澄宇,等.有限元技术在航空薄壁件立铣变形中的应用[J].应用科学学报,2003,21(1):68-72.
[5]王志刚,何宁,张兵.航空薄壁零件加工变形的有限元分析[J].航空精密制造技术,2000,36(6):7-12.
加工应力变形 篇2
关键词：焊接变形？残余应力？成因？控制措施
在焊接工艺教学中，由于焊缝内部结构上的缺陷和内部应力的释放，焊件将产生焊缝裂缝。同时，焊件受到不均匀的电弧加热，由于受热区域的金属膨胀程度不同，产生了内应力和变形，当焊接完毕待焊件完全冷却时，剩余的内应力和变形残存在构件内部，形成残余应力和变形。为此，笔者探讨焊件残余应力与焊接变形成因及控制措施。
一、焊接内应力种类的教学分析
焊接后产生的内应力为焊接应力，根据其空间位置和相互关系可分以下几种。
1.单向应力
在焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面上堆焊时，焊件存在的应力是单方向的。
2.双向应力
在焊接较厚板的对接焊缝时，焊件存在的应力虽不同向，但均在一个平面内，即应力是双向的。
3.三向应力
当焊接厚大焊件的对接焊缝时，焊件存在的应力是沿空间三个方向作用的。
当焊缝中存在双向应力和三向应力时，焊缝金属的强度和冲击值都要显著下降，容易产生裂缝。因此，当焊接件厚度≥25mm时，焊后一般应对焊件进行热处理，以消除三向应力。
二、焊件残余应力分布及对焊接结构的影响
焊接残余应力和变形产生的主要原因是焊接时的不均匀加热，受到焊接残余应力的焊缝金属，其收缩变形有以下几种情况。
1.纵向焊接残余应力分布
长板对接接头焊缝处受热温度较高，因此焊缝金属有较大伸长，离焊缝金属较远的部位温度较低，伸长则较小。
2.横向焊接残余应力分布
对接焊缝的横向收缩所引起的横向应力分布比较复杂。在焊接结构中，焊接残余应力与变形之间的关系是一对矛盾的两个方面。如果在焊接过程中焊件能够自由地收缩，则焊件的变形较大而焊接应力较小，而如果焊件受外界约束或自身刚性较大不能自由收缩，则焊后变形较小，但内部却存在较大的焊接残余应力。
3.焊接残余应力对焊接结构的影响
焊接后的残余应力和变形超过允许范围，则会使结构承受载荷的能力降低，或使其外形受到影响，主要表现为以下四方面。一是对焊接结构强度的影响。焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。二是对构件加工尺寸精度的影响。三是对受压杆件稳定性的影响。四是对疲劳强度的影响。
三、消除或减小焊接残余应力和变形的措施
结构复杂的板材结构，如果在焊接时不采取一定的措施，便容易产生变形，变形影响结构外表美观，降低结构强度。
1.减小焊接变形的措施
（1）设计措施减小焊接变形。一是尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸，二是避免焊缝过分集中，三是采用刚度较小的接头形式。
（2）采用合理的装配焊接顺序和方向减小焊接变形。一是尽可能考虑焊缝的自由收缩，对于大型结构的焊接应从中间向四周对称进行。二是收缩量大的焊缝先焊，因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，残余应力就比较小。三是采取对称焊接，对于刚性大而断面对称的构件，在施焊时可采用对称的焊接程序，这对于保证构件得到最小的弯曲变形是十分有利的。四是采用焊缝的不同焊接法，在焊接长焊缝（≥1m）时，可采用分段退焊法、跳焊法、交替焊法；对中等长度（0.5～1m）的焊缝可采用分段对称焊法。
2.消除或减小焊接残余应力的措施
（1）减小焊缝尺寸。在满足设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转变焊缝越大越安全的观念。
（2）减小焊接拘束度。拘束度越大，焊接应力越大，所以尽可能不用刚性固定的方法控制变形，以免增大焊接拘束度。
（3）采取合理的焊接顺序。在焊缝较多的组装条件下，应根据构件外形和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。
（4）降低焊件刚度，创造自由收缩的条件。
（5）锤击法减小焊接残余应力。在每层焊道焊完后立即用圆头小锤敲渣或用电动锤击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。
总之，在教学过程中我们一定要了解焊接工艺，在实践中不断总结、积累焊接经验，综合分析考虑各种因素，以保证工程中的焊接质量。
加工应力变形 篇3
关键词：调质,变形,X射线,残余应力
引言
采用传统箱式电炉加热、淬火池淬火的方式生产调质棒材时, 会因为加热时的重力作用及淬火时冷却速度不同造成棒材弯曲, 因此在回火结束后, 棒材必须进行冷矫直或热矫直以达到所需平直度。冷矫直后会因塑性变形造成残余应力, 需进行去应力退火, 如不去应力或去应力不充分, 棒材很可能会在机加工时产生变形。
江阴兴澄特种钢铁有限公司 (以下简称“兴澄特钢”) 利用国内领先的辊底式连续调质炉, 生产供国内外油田、风电、汽车等行业使用的各类调质棒材。 该连续炉采用天然气加热, 管道式炉膛, 斜辊传动, 棒料在炉膛中逐支旋转前进, 出炉后直接进入高压水冷环进行在线喷淋淬火, 随后进入同样的辊底式炉回火。与传统箱式电炉相比, 棒材的调质过程具有加热、冷却均匀, 处理后组织、性能稳定, 综合性能优异的优点, 因此棒材在加热及冷却时不易产生变形, 平直度高, 可省去后续矫直工序, 进而避免产生矫直造成的残余应力。
但在前期市场开发过程中, 有个别客户在使用兴澄特钢的未经冷矫直的调质材进行机加工, 做成零件后, 仍然出现了弯曲变形, 导致零件报废。这些零件均是轴向不对称的复杂形状零件, 而在加工轴类、螺栓类零件时没有出现类似状况, 因此棒材中可能存在冷却速度过快导致的残余热应力。
1 X射线试验原理
X射线法检验应力利用的是X射线在晶体表面的衍射原理。由于晶体中的粒子直径与X射线的波长相当, 满足光学中衍射所需的条件 (光的波长和光栅的尺度同数量级) , 并且晶体中的原子是规则排列的, 当某一波长的X射线照射到多晶体样品上并满足布拉格方程式时便会产生衍射。如果钢材内存在宏观残余应力, 则晶粒晶面间距会发生变化, X射线衍射的位置也将发生位移, 依照此变化即可求得晶面间距的变化, 从而求得应变, 通过弹性力学理论即可求得残余应力[1]。但由于X射线仅能穿透30μm级别厚度, 因此只能测表面应力。
具体检测方法为:采用10% NaCl水溶液在棒材表面约1cm2范围内进行电解腐蚀, 将表层氧化层腐蚀掉后, 用X射线仪检测其表面应力状态, 检验数据如为正值, 则为拉应力, 如为负值, 则为压应力, 每个点取3次检验的平均值。随后再电解掉一定深度的表皮金属, 再次检测残余应力, 这样采用逐层剥离、逐层检测的方法, 得出距表面一定深度范围内的残余应力分布。
2试验过程及分析
2.1回火试验
2.1.1试验原料及方法
兴澄特钢采用连续调质炉生产调质钢时, 为了提高生产效率并避免回火脆性, 棒材回火结束出炉后一般用喷淋水冷却, 对于平直度要求较高的棒材, 回火后也会采用压力矫直机进行矫直, 随后去应力, 去应力后仍然采用喷淋水冷却。
为了验证回火及去应力后的冷却工艺对调质棒材残余应力的影响, 在回火或去应力后, 将棒材采用不同冷却方式冷却到室温进行试验。在 Φ160 mm规格的42CrMo调质棒材上取200 mm长试样五件, 分别按表1的不同冷却方式进行处理后, 采用PSP/MSF X射线应力测试仪检验每件试样的残余应力。
2.1.2实验结果
图1为回火后采用不同冷却方式的42CrMo棒材 (表1中试样1、2、3) 距表面不同深度下的残余应力分布。从曲线可以看出, 回火后空冷的棒材表面有-40~-147 MPa的残余压应力;而回火后水冷至100 ℃、300 ℃的棒材, 从表面至0.6 mm处, 残余压应力逐渐由-206 MPa增加到约-554 MPa, 随后不再明显增加, 可见回火后水冷会大大增加棒材表面残余应力。 而且水冷至300 ℃ 与水冷至100 ℃的棒材表面残余应力值区别不大, 说明大多数残余应力在300 ℃以上就已经形成, 先水冷后空冷的方式并不能有效减少棒材表面残余应力。
2.2去应力试验
对于对平直度要求较高的棒材, 回火后也需采用压力矫直机进行矫直, 随后进行去应力退火, 以消除冷矫直时塑性变形导致的残余应力。为了检验去应力退火后的冷却工艺对棒材残余应力的影响, 从以上调质后水冷的棒材上取两段棒料, 在箱式电炉中分别模拟了510℃去应力退火后空冷及水冷工艺 (表1中试样4、5) 。X射线衍射测试显示, 空冷后棒材表面下1 mm处残余压应力为-100 MPa, 而水冷后残余压应力达到-416.5 MPa, 如图2所示。 因棒材是回火后水冷的, 因此在去应力处理之前, 其表面有较大的残余压应力, 可见经过510℃下保温, 残余应力可得到有效释放, 但如采用水冷方式, 棒材表面会重新产生较大的残余压应力。
2.3破坏法试验
2.3.1应力分析
当淬火棒材加热到回火温度保温足够长的时间后, 原淬火马氏体中析出碳化物, 形成回火索氏体, 因马氏体膨胀导致的晶格畸变得以恢复;同时在高温下材料屈服强度降低, 也有利于淬火时形成的残余应力的释放。这时可以假设棒材处于没有残余应力的理想状态, 而且在随后的冷却过程中, 不会有组织转变, 因此也不会产生新的组织应力。当棒材出炉冷却时, 表面冷却速度大于心部冷却速度, 于是棒材内外温差增大, 表面层金属温度低, 收缩量大;心部金属温度高, 收缩量小, 棒材表面的冷缩受到尚处于高温的心部的抑制, 故表面层承受拉应力, 而心部则承受压应力。到了冷却后期, 表面层金属的冷却与收缩结束, 心部金属继续冷却并产生体积收缩, 但心部的收缩受到表面层的牵制作用而受拉应力, 冷硬状态的表面则由于心部收缩而受到压应力。当整支棒材冷至室温时, 内外温差消失, 冷却后期的应力状态便残余下来。因此, 棒材最终表面受压应力, 心部受拉应力。
此外, 因马氏体转变引起的残余应力正好与冷却时的应力相反, 为表面受拉, 心部受压, 如淬火时的组织应力未在回火时完全消除, 冷却应力与组织应力相叠加, 也有可能形成表面至心部先受压、再受拉、再受压的状态。但不论何种分布状态, 这些拉应力与压应力在棒材横截面上是处于平衡状态的[2]。 由于热应力是在工件快速冷却时其截面温差造成的, 因此冷却速度越大, 截面温差越大, 则热应力越大;反之, 如冷却速度越小, 截面温差越小, 则热应力越小。
2.3.2试验方法
为了进一步验证棒材的应力分布状态, 采用破坏法进行了对比试验。
取两支辊底式连续调质线生产的Φ60 mm×800mm的调质棒材, 将两支棒材一侧沿轴向铣去约15mm厚度, 1#棒材采用回火后空冷、2#棒材采用回火后水冷。
测试结果显示1#棒料基本没有变形, 而2#棒料明显向未加工一侧拱起, 采用直尺测量, 挠度达到了近3 mm。这说明棒材表面有较大的残余压应力。与X射线衍射残余应力分析仪所得出的结果一致。
2.3.3试验分析
在棒材表面进行的破坏, 使整个横截面应力平衡被破坏, 另一侧的表面应力会得到释放, 如果原来棒材表面受拉应力, 晶格处于拉长状态, 应力释放后原子间距减少, 导致棒材未加工一侧整体长度变短, 则该侧会向内弯曲。反之, 如棒材表面受压应力, 晶格处于压缩状态, 应力释放后原子间距增加, 会导致该侧整体长度变长, 从而呈拱起状态。
综上所述, 采用缓慢冷却方式 (如空冷) , 有助于减少热应力的生成。
3结论
(1) 回火出炉后采用水冷方式的棒材表面会产生较大的热应力导致的残余压应力, 而采用回火空冷方式的棒材表面残余应力相对小得多;
(2) 回火后的棒材在去应力结束后, 如采用水冷方式冷却, 仍然会在表面形成残余压应力;
(3) 因棒材表面的残余压应力与内部的残余拉应力相互抵消, 呈平衡状态, 棒材不会变形;但当一侧加工量较多而另一侧加工量较少时, 棒材会向加工量较少一侧拱起, 造成零件变形。
参考文献
[1]罗玉梅, 任凤章.X射线法测量多晶材料残余应力[J].材料导报, 2014.6, 28 (6) , 112—114.
减少薄壁零件加工变形的探讨 篇4
【摘 要】针对薄壁零件刚性差制造过程中容易产生变形，加工精度不高等问题，本文详细分析薄壁零件加工特点，防止变形的工艺方法，工艺方法的改进及切削参数的选择，对减少薄壁零件加工变形，提高薄壁零件加工精度的具体方法进行探讨。
【关键词】薄壁零件；变形；精度；生产效率
0.引言
薄壁零件已日益广泛地应用在各工业部门，因为它具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，但由于薄壁零件刚性差，强度等原因，在加工中容易变形，使零件的形位公差增大，难以保证零件的加工精度与加工质量，本文针对如何减少零件加工变形及提高薄壁零件的加工精度，对工件的装夹，刀具的合理选用，切削用量的选择等方面进行探讨。提出设计工装夹具及改进工艺等步骤。有效地克服薄壁零件加工过程中出现的变形，为保证加工精度提供了良好的依据及借鉴。
1.影响薄壁零件加工精度的因素
影响薄壁零件加工精度的因素有很多，如机床的几何误差、夹具误差、工艺系统的受力变形、受热变形、震动变形调整误差、工件残余应力引起的误差等等。本文主要从受力变形，受热变形和震动变形三个方面进行探讨。
1.1受力变形
因工件薄壁强度弱，在卡盘上夹紧时夹紧力不均衡，会使零件产生变形，造成零件的圆度误差，从而影响工件的尺寸精度和形状精度。
1.2受热变形
由于切削热，摩擦热，派生热源，环境温度等因素，使工件系统各部分的变形产生差异，从而破坏了刀具与工件的准确性及运动关系。特别是薄壁零件更容易产生变形。使工件尺寸难于控制。
1.3震动变形
在切削力的作用下，容易产生受迫振动和自激震动，在加工表面下震动痕迹，影响工件的尺寸精度，形状，位置精度和表面粗糙度。图1所示为薄壁零件，现从工件的装夹，刀具的合理选用，切削用量的选择等方面进行综合实验，以期减少零件加工变形以提高零件的加工精度。
2.具体实例
图1所示从零件的图样要求及材料加工此零件的难度主要是刚性问题，薄壁零件的部分仅为5mm，材料为45号钢，考虑定位精度，装夹方便可靠，通常用软爪夹持外圆或撑内孔装夹方法来加工，车削受力点与夹紧力作用点相差较远，还需车削?54受力很大，因而刚性不足，容易引起晃动和震动。
2.1优化夹具的设计
由于工件薄壁刚性差，如果采用常规方法装夹及切削加工，工件将受到轴向切削力和热变形的影响，而出现弯曲变形，很难达到技术要求，为解决此问题，并考虑到装夹快速省力，有一定的适用范围等方面，为此设计了一套适合该工件的专用夹具如图2：夹具体1支撑内孔可夹工件，材料为45号钢，夹具体上为控制总长。拉杆3通过左端拉紧，其外椎面压紧，夹具体右端的内孔来夹持工件。内镗孔刀采用机夹刀缩短换刀时间，具有较好的刚性，能减少振动变形和防止产生变形；外圆粗，精车均选用硬质合金车刀，选择根据是取它的使用强度高，抗冲击和抗振性能好。
2.2工艺过程
（1）装夹毛坯15mm，平端面至加工要求。
（2）用?40钻头钻通孔，粗精加工?44通孔。
（3）粗精加工?75外圆，加工长度大于3.5mm。
（4）调头利用夹具如图所示装夹控制总长40mm；平端面。
（5）拆卸工件，完成加工。
2.3切削用量的选择
（1）内孔粗车时，主轴转速每分钟500-600转，进给速度F100-F150转；留精车余量0.3-0.4mm。
（2）内孔精车时，主轴转速每分钟1100-1200转，为取得较好得表面粗糙度选用较低的进给速度F30-F45，采用一次走刀加工完成。
（3）外圆粗车时，主轴转速每分钟1100-1200转，进给速度F100-F150，留精车余量0.3-0.5mm。
（4）外圆精车时，主轴转速每分钟1100-1200转，进给速度F30-F45，采用一次走刀完成。
3.结束语
焊接应力和变形 篇5
1 热弹塑性分析的特点和假定
热弹塑性问题是一个热力学问题。作为热力学系统的焊接材料, 其自由能密度不仅与应变有关, 而且还与温度有关。也就是说, 力学平衡方程中有与温度有关的项。从能量上看, 输入的热能在使焊接材料温度上升的同时, 还由于结构的膨胀变形做功而消耗一部分。这时, 在热传导平衡方程中, 要增加与应力有关的项。因此, 严格的说, 温度场与应力场是相互耦合的。不过这种祸合效果除个别特殊情况外, 一般都很小, 而且焊缝附近的温度变化很大, 材料的各种物理性能也相应变化很大, 这种影响与上述耦合效应相比要大得多。所以就焊接的热弹塑性而言, 取非耦合的应力场和温度场是合适的[28]。
在热弹塑性分析时有如下一些假定:
(1) 材料的屈服服从米赛斯 (Von Mises) 屈服准则;
(2) 塑性区内的行为服从塑性流动准则和强化准则;
(3) 弹性应变、塑性应变与温度应变是不可分的;
(4) 与温度有关的力学性能、应力应变在微小的时间增量内线性变化。
2 屈服准则
屈服准则是一个可以用来与单轴测试的屈服应力相比较的应力状态的标量表示。因此, 知道了应力状态和屈服准则, 程序就能确定是否有塑性应变产生。在多轴应力状态下, 屈服准则[29]可以用下式来表示:
式中:σe——等效应力;σy——屈服应力。
当材料的等效应力超过材料的屈服应力时, 将会发生塑性变形。Von Mises屈服准则是一个十分通用的屈服准则, 尤其适用于金属材料。对于Von Mises屈服准则, 其等效应力[26]为:
式中:σ1, σ2, σ3——三个主应力。
3 流动准则
流动准则描述了发生屈服时, 塑性应变的方向, 也就是说, 流动准则定义了单个塑性应变分量随着屈服是怎样发展的。流动准则[29]由以下方程给出:
式中:λ——塑性乘子 (决定了塑性应变量) ;
Q——塑性势, 是应力的函数 (决定了塑性应变方向) 。
流动方程是塑性应变在垂直于屈服面的方向发展的屈服准则中推导出来的, 即Q等于屈服函数, 这种流动准则叫作关联流动准则, 如果使用其它的流动准则, 则叫作不关联的流动准则[30]。
4 强化准则
加工应力变形 篇6
巷道原岩应力场包括自重应力场和构造应力场,然而长期以来人们往往只注重于研究自重应力场对于巷道稳定性的影响,对于构造应力场对巷道变形、破坏特征的影响不是很清楚。构造应力由构造运动引起,其基本特点是以水平应力为主,具有明显的方向性和区域性[1]。水平应力是影响巷道顶板冒落、底板鼓起、两帮内挤的主要因素,关于水平应力对巷道围岩稳定性的影响,国内外的研究表明:巷道顶底板破坏的主要因素是水平应力而不是垂直应力[2]。人们常将水平应力与垂直应力的比值称为侧压力系数,通过改变侧压力系数λ取值来研究水平应力对巷道稳定性的影响。经过长期发展,煤矿锚杆支护设计方法已经由过去简单的经验法、理论计算向数值计算、现场监测为基础的动态信息反馈设计法过渡,然而无论何种方法在支护设计时,却很少考虑侧压力系数的影响以及由此引起的顶、帮围岩不同的破坏模式。不同水平应力作用下巷道围岩不同部位的应力分布及变形、破坏特征是不同的,对此的深刻认识,将为不同构造应力作用下确定合理的支护设计提供理论依据。
水平应力对巷道周边应力分布及围岩变形破坏特征起重要作用,目前对其研究主要集中在以下几个方面:
(1)文献[2]中通过相似材料模拟试验和数值模拟方法研究不同水平应力作用下锚杆支护巷道以及无支护条件下巷道围岩变形破坏特征,较好的反映了巷道顶板的冒落和底板的鼓起状况。
(2)文献[3,4,5,6]都运用数值分析软件对半圆拱形巷道在不同λ取值下围岩应力状态、破坏模式、破坏过程及变形特征进行了数值模拟分析,总结了半圆拱形巷道围岩应力分布的一些规律,也对岩石的变形破坏机制有了新的认识。
(3)研究结果表明:围岩塑性区的形状与大小与侧压系数取值有重要关系,λ≤1时顶板塑性区的大小随λ的增大变化不明显;λ>1时顶板塑性区的大小随λ的增大而迅速增大, 而巷道两帮处的塑性区范围在减小[7,8,9] 。
本文利用有限元的方法,求出了未支护直墙半圆拱形巷道在不同侧压力系数λ下的应力分布,发现了其内在的规律性。通过对其应力分布规律的了解,可以进一步掌握巷道围岩在不同侧压力系数下塑性区分布及变形破坏规律,进而为确定定量化的支护设计提供依据。
1 数值分析方法及模型参数
本文采用大型通用有限元数值计算软件ABAQUS作为分析工具,研究直墙半圆拱形巷道在不同侧压力系数λ下巷道围岩应力场、塑性区、位移场分布规律。试样模型尺寸50 m ×50 m,半圆拱形巷道宽4 m,高3.6 m。采用平面应变模型,模拟巷道开挖前,先采用ABAQUS中geostatic分析步进行初始地应力的平衡,竖向应力 σz等于上覆岩层自重,水平应力σx=λσz。模型左右两侧1方向的位移U1=0,底面上3方向的位移U3=0,顶面为应力边界,在上边界施加15 MPa 的垂直应力来模拟上覆岩层。侧压力系数λ依次取0.2、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5。
模型为单一均质材料,其物理力学参数根据细砂岩参数确定,具体参数见表1。选用理想弹塑性模型,采用Mohr-Coulomb屈服准则。
2 数值模拟结果及分析
巷道开挖过程中临空面的产生而引起的应力重分布及应力集中,使巷道原有的应力平衡状态被打破,围岩应力与围岩强度相互作用将在巷道周边依次产生破裂区、塑性区、弹性区[10]。
圆形巷道的轴对称问题,其线弹性解析解表明,σt(环向应力)的最大值位于巷道周边,σr(径向应力)的最小值也位于巷道周边。本文中直墙半圆拱形巷道围岩在弹塑性条件下的水平应力及垂直应力的数值解与上述圆形巷道解析解有一定类似之处。本文中顶、底板围岩中水平应力可近似看作σt,帮部围岩中水平应力可近似看作σr,顶、底围岩中垂直应力可近似看作σr,帮部围岩中垂直应力可近似看作σt。
为了深入了解在不同水平应力作用下巷道周边围岩的应力分布规律,在巷道断面模型中沿垂直于巷道顶板、底板及右帮部分别设置一条长 20 m的测线,每条测线均匀布置200个测点。由于模型左右对称,故帮部仅选取右帮为代表进行分析,分别选取λ=0.2、1、2、3.5时的数值解为代表进行巷道围岩应力分布的分析。综合处理在不同侧压系数下每条测线的记录数据,结果如图1所示。
2.1 围岩应力分布
图1所示,是直墙半圆拱形巷道围岩在不同侧压力系数下的应力分布曲线,可以看出:
(1)对图1(a)、(b)、(c)分析,并通过对直墙半圆拱形巷道周边应力场进行数值计算,得出如下结论:当0<λ<0.27 时,在巷道顶板产生环向拉应力区域;当0<λ<0.56时,在巷道底板处产生环向拉应力区域;当λ>3.6时,在巷底板产生径向拉应力区域。拉应力区域在底板中呈反拱形分布,底板的拉应力值要大于顶板,拉应力区域也要大于顶板。拉伸作用使巷道顶底板围岩整体性能降低,易在巷道顶底板形成径向的裂缝,从而造成顶板围岩破裂、冒落,底板底鼓。在顶底板围岩中的垂直应力先随距巷道顶底板距离的增大而增大后趋于稳定,且应力值随侧压力系数的增大而增大,这是由于远离巷道开挖空间,λ增大改善了围岩的应力状态,顶底板内部岩层中承载垂直应力的能力逐渐增强。在侧压力系数大于1时,在巷道顶底板周边岩层产生了环向应力集中现象,且环向应力峰值随侧压力系数的增大而增大。在巷道顶底板中以水平应力为主,巷道围岩松动塑性区是以环向应力达到峰值为分界点,由此可以看出随侧压力系数的增大,顶底板围岩卸载区增大、塑性区厚度增大,此时要适时增大锚杆长度,使锚杆锚固端处于弹性区内,有效地控制围岩塑性区范围,避免围岩塑性区过大而造成的巷道维护困难。
(2)从图1(b)分析可知,在帮部围岩中的水平应力,随距巷道帮部距离的增大而增大后趋于稳定。垂直应力(环向应力)随侧压力系数的增大而减少,且从应力峰值的位置可以看出,帮部塑性区厚度随侧压力系数的增大而减小。侧压力系数大于2时,帮部基本无塑性区出现。在侧压力系数小于1时,在帮部没有出现明显应力卸载区仅有一定厚度的塑性区出现。在帮部围岩处于弹性状态时,完全可以少用或不用锚杆支护,因为此时围岩还具有较好的承载性能,可以通过预留变形量以释放较大的变形能来维护巷道的稳定性。
(3)巷道开挖后,巷道顶底板周边岩层处于单向水平压应力状态、而巷道两帮周边岩层处于单向垂直压应力状态。随着向岩体内部发展,岩体逐渐由单向应力状态向三向应力状态转变。当围岩应力超过围岩屈服强度后,岩体产生破裂破坏及塑性变形区以达到应力释放的目的,环向应力峰值向围岩内部转移,直到达到新的平衡。
在确定支护设计方案时,要根据巷道在不同侧压下其顶板、帮部、底板围岩的不同应力状态,弹性或塑性、受拉或受压来考虑采用何种支护方式及相应的支护参数。在非轴对称荷载作用下,巷道顶板与帮部围岩所处的状态是不同的,其所表现出的变形破坏特征也不尽相同,其支护设计按理说也应该不同,然而目前在煤矿实际施工中,可能是出于施工方便的考虑,两帮一般采用与顶板一样的支护设计参数,锚杆支护的合理性、经济性无法保证。
2.2 巷道围岩应力集中系数
巷道开挖后,在巷道围岩周边产生了环向应力集中现象,决定巷道稳定性的关键因素是环向应力值的大小。由图2可以看出,当0.5≤λ≤2时,随侧压力系数增大,顶、底板围岩中水平应力集中系数增大,而帮部围岩中竖向应力集中系数减小。当2<λ≤3.5时,顶、底板应力集中系数出现微降,而帮部竖向应力集中系数先减小后微升。当λ<1时,帮部的竖向应力集中系数大于顶底板,其围岩状态要比顶底板差,此时应加强帮部的支护,提高帮部岩体的刚度、强度以使高应力向顶底板转移,进而控制帮部变形量。随着λ的增大,帮部竖向应力集中向顶、底板转移 ,帮部围岩受力条件改善,而顶底板则产生了较大的压剪应力集中,此时应加强顶底板支护,重点在于保证顶底板岩体的完整性,从而保证其承载性能。
2.3 围岩塑性区
巷道开挖后,环向应力在洞壁附近发生集中,致使这一区域岩体屈服而进入塑性状态[11]。如图3所示,显示了随侧压力系数的变化,巷道围岩塑性区的变化规律。验证了前文的结论,随侧压力系数的增大,帮部塑性区向顶、底板转移。当λ>1时,帮部无塑性区产生,而随λ增大,顶、板塑性区范围不断扩大,且底板塑性区大于顶板,塑性区呈现楔形分布。塑性区是确定支护设计的重要依据,在较高水平应力作用下,顶、底板塑性区要大于帮部,此时巷道支护控制的重点在顶底板。
2.4 巷道表面位移
从图4可以看出, 在侧力系数小于1时,顶、底板变形量随侧压力系数的增大而减小但影响程度较小 。这是因为当侧压力系数较小时,巷道顶底板基本无塑发区产生,顶底板周边岩体基本处于单向水平压应力状态,岩体基本处于压缩阶段,弯曲变形较小。当1<λ<3时,顶底板产生环向应力集中,围岩产生了塑性变形区,在卸载区内以产生较大变形量达到应力释放的目的,因此顶底板变形量随侧压力系数增大而增大。而当λ大于3时,顶板变形量减小,可能是由于两帮对顶板产生了一定的约束作用。顶板岩层沿节理弱面破坏后,离层增大,岩块间产生挤压错动,岩块松动,直至在自重作用下失稳冒落。底板岩层在水平应力作用下,形成褶曲形构造,向巷道空间鼓起。帮部在水平应力作用下产生了类似于梁在垂直应力作用下产生的弯曲变形,且随λ增大,变形量逐渐增大。帮部虽然没有产生较大的塑性区但变形量较大,此时应在一定的支护阻力作用下通过预留变形量释放围岩的变形能,维持帮部围岩稳定。当λ<2时,顶、底、帮部变形量相近,随λ增大,其差距越来越大,其中底鼓量最大,因此要根据实际的侧压大小,确定相应的支护方案及控制要点。
3 结论
(1)当λ在一定取值范围内,巷道顶、底板会产生一定的环向或径向拉应力区域,从而使围岩整体性能降低,使巷道围岩产生压拉破坏。
(2)影响巷道稳定性的关键因素是巷道开挖后因应力重分布而产生的环向应力集中,随侧压力系数的增大,帮部环向应力集中向顶、底板转移,帮部围岩受力条件改善,顶、底板围岩产生了压剪应力集中使围岩屈曲。
(3)随λ增大,帮部塑性区向顶、底板转移,在较大水平应力作用下巷道顶、底板会产生较大的塑性区及应力释放区,此时巷道支护控制的重点在顶、底板。而水平应力小于垂直应力时,会在帮部产生较大环向应力集中及塑性区,此时应对帮部围岩加强支护。
(4)当λ<1时,顶、底板变形量受侧压力系数影响程度较小,当λ>2时,侧压力系数对巷道变形影响显著。随λ增大,帮部变形量逐渐增大,顶板先减小后增大最后减小,底板先减小后增大。
(5)现场施工中要根据实际的侧压的大小,掌握其应力分布及变形破坏特征,充分利用围岩的自稳特性,采取技术、经济最佳的支护方案。根据顶板、底板、帮部围岩的实际应力状态确定相应的支护类型以及相应支护参数,而不能盲目的由顶板支护参数来确定帮部支护参数。
参考文献
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轮轨接触区应力-变形状态的计算 篇7
轮-轨系统中接触应力的试验测定在现代计量学的发展条件下实际上是不可能的。因此只能采用计算的方法。2个具有曲线表面物体相接触、不考虑其摩擦力的接触应力的传统计算方法,是以赫兹公式求得的、后经其他学者发展了的通解为依据的。还有Н.М.Беляев用赫兹理论来测定轮轨之间表面和深层的接触应力,并考虑到在磨耗的影响下轮轨接触面的变形。
轮轨未磨耗踏面的接触(踏面的锥度忽略不计)可以看作是2个相互垂直的弹性体相接触。2个弹性体在接触点上具有共同的平面坐标(可共有Oz轴)。沿接触点方向作用垂直压缩力P,在该力作用下形成一个椭圆的接触区。这个接触区的长半轴a沿轨顶纵向轴Ox排列,而短半轴b则沿Oy轴排列,Oy轴与钢轨纵向轴垂直。半轴a和半轴b按下式计算:
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式中: α、β——系数;
μ——泊松比;
Ε——弹性模数;
R、r ——车轮、钢轨的半径。
接触区上的应力在接触区中心达到最大值,并在方向上与沿Oz轴的最大垂直应力相重合,其值按下式计算:
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式中:πab——接触区面积。
椭圆接触区内任意一点M(x,y)的应力为:
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现在,研究轮轨接触区应力-变形状态,并考虑到材料机械特性和接触物体几何形状、施加荷载方法、边界条件和许多其他因素的最有效最准确的方法,是用有限元法进行数学模拟。
为了求解应力-变形状态并进行量值评估,采用了有限元模拟综合程序ANSYS。对于接触表面曾借助于TARGE170和CONTA174表面-表面接触件进行建模。这些接触件可在接触区存在很大变形和滑动摩擦的情况下,实现常态变形和接触变形的精确计算,而不限于目标表面的形状。
现对新的和已磨合的轮轨踏面在轮轨接触区的应力-变形状态进行量值评估。
车轮和钢轨材质在椭圆接触区中心附近承受三向压缩力,在这种情况下它们经受相当大的应力。根据莫尔强度理论,接触材料在三向受力的状态下,其接触点上的与最大主应力和最小主应力差之半相等的最大剪切应力是危险的因素。在选定的坐标系统中,对于压力椭圆中心的点,法向应力σx、σy、σz也分别是主应力σ1、σ2、σ3。考虑到这一点,对于现有轮-轨系统中每一个接触体在接触面摩擦力小的情况下,有危险的是2个区域。第一个是分布在压力椭圆大半轴端部上(图1(а)),也就是说分布在接触表面上(表面接触应力);第二个则是分布在每个相互作用体内(见图1(b))一定深度的范围内(深层接触应力)。
在运用过程中,钢轨顶面和车轮滚动面逐渐磨合,会导致接触区形状改变。椭圆形最初是变成圆形(图2(a)),当轮轨断面磨耗加剧时,接触区就成长方形形状,其方向与轨顶纵轴垂直(见图2(b)),这就近似于圆柱体(车轮)和平面(钢轨顶面)的接触区。
在接触区为圆形和长方形、轮轨间摩擦力小(例如滑行状态)的情况下,最大的应力状态是分布在接触表面(表面接触应力)和接触体内(深层接触应力)的区域(图3)。
在摩擦力增大的情况下,由于牵引力矩或制动力矩在轮轨接触区施加到钢轨上,切向力在总正压力中起作用,改变了在其接触表面、接触体内部和在接触面周围的分布(图4)。同时,最大接触应力的位置和数值,以及表面和深层接触应力之间的相互关系也发生了改变。在接触表面切向力增大了接触面周围前部(沿着力的作用方向)的拉应力,并使后部的拉应力减小。
在采用有限元法进行计算时,对轮轨的应力-变形状态根据Мизес-Генка屈服条件,用下式进行了评估:
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式中: σT——屈服应力。
原先对轮轨接触区应力状态进行的间接评估是用车轮的垂直静载荷P与其直径D之比值为指标的。在各种不同类型的机车车辆中,P/D指标的最大值,
也就是电力机车、内燃机车和货车重车下轮-轨最大负载接触点。考虑到在俄联邦铁路上大量的货物运输是由电力机车完成的,所以对直径1.25 m电力机车车轮和直径0.95 m货车车轮的新踏面和磨合踏面进行了计算。考查P65型钢轨对应的车轮垂直载荷应在70 kN～120 kN范围内。对于货车车轮在接触面摩擦系数f=0.01,对于机车车轮在摩擦系数f=0.01(滑行时)和f=0.3(牵引状态和制动状态)的情况下进行了计算。
计算结果按Мизес-Генка条件得出的等效应力σT与车轮垂直载荷P的关系示于图5。
从提供的关系图可得出以下结论。
在所研究的范围内,钢轨顶面接触区车轮在垂直载荷下是塑性变形,因为最大等效应力超过了目前钢轨钢的屈服点(400 MPa)。根据可导致产生接触-疲劳缺陷的接触应力标准,在轮-轨系统中最不利的相互作用条件,是在轮轨新踏面相互磨合的初期形成的。根据塑性条件,最大的应力发生在新钢轨与新车轮踏面相接触时(见图5的曲线2),以及新钢轨与电力机车新车轮踏面在牵引或制动工况相接触时(见图5的曲线1)。这与在上述踏面接触时接触面面积最小有关。在牵引或制动工况时,电力机车新车轮踏面在接触区的等效应力,比在滑行工况时平均增加30%。
在运用过程中新踏面发生磨耗、磨合,同时也改变了接触区的形状和尺寸,导致了等效接触应力的降低。但是这些应力值仍高于钢轨钢的屈服点,也就是说仍存在着在钢轨顶面上形成波状表面的一个必然条件。
浅谈焊接应力与变形及控制 篇8
1 焊接应力与变形的基本知识
1.1 应力。
内力是指物体受外力作用后所导致物体内部之间相互作用力称为内力。当构件在物理、化学或物理化学变化过程中, 如温度、金相组织或化学成分等变化时, 在物体内也会产生内力。作用在物体单位面积上的内力叫做应力。
1.2 变形。
物体的变形是指物体在外力或温度等因素的作用下, 会出现形状或几何尺寸的变化。物体产生变形在外力、温度等外界因素消除后变形也随后消失, 物体可恢复到原来状态, 此种变形称为弹性变形。外力、温度等外界因素消除后变形仍然存在, 物体不能恢复到原来状态, 此种变形称为塑性变形。
1.3 焊接应力与焊接变形。
焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后, 存在于构件中内部的应力。由于焊接过程而引起的构件尺寸的改变称为焊接变形。
2 焊接应力与变形产生的原因分析
产生焊接应力与变形的原因十多方面的, 最根本的原因是焊件受热不平衡, 其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性不同影响。另外, 焊缝在焊接结构中焊缝分布、焊接方法、焊接电流参数、焊接顺序等对焊接应力与变形也有一定的影响, 下面重点阐述几个主要因素。
2.1 焊件的不均匀受热
焊件的焊接是一个局部的加热过程, 焊件上的温度分布不均, 为了了解不均匀受热时应力与变形的产生, 下面对不同条件下的应力与变形进行分析。
(1) 不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形。依据对变形知识的理解, 不受约束的杆件在均匀加热与冷却时, 其变形属于自由变形, 于是在杆件加热过程中不会产生任何内应力, 冷却后也不产生任何残余应力和残余变形。
(2) 受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形。依据对非自由变形知识的理解, 受约束的杆件的变形属于非自由变形, 其存在外观变形, 也存在内部变形。
(3) 长板条一侧加热 (相当于板边堆焊) 引起的应力与变形。如下图1中a) 所示的材质均匀的钢板, 在其边缘快速加热。假设钢板由许多互不相连的窄条组成, 则各窄条在加热时将按温度高低伸长情况不同, 如下图1中b) 所示。在实际上板条是一整体, 各板条之间是互相牵连、互相影响的, 上一部分金属因受下一部分金属的拘束作用而不能自由伸长, 会产生了压缩塑性变形。由于钢板上的温度分布是自上而下逐渐降低, 于是钢板产生了向下的弯曲变形, 如下图1中c) 所示。
钢板冷却后, 各板条的收缩应如下图1中d) 所示。实际上钢板是一个整体, 上一部分金属要受到下一部分的拘束而不能自由收缩, 于是钢板产生了与加热时相反的残余弯曲变形, 如下图1中e) 所示。同时在钢板内产生了如下图1中e) 所示的残余应力, 即钢板中部为压应力, 钢板两侧为拉应力。
在日常生产中的焊件情况同上述第三种情况, 焊后焊件既有焊接应力存在, 同时又会产生焊接变形。
2.2 焊缝金属的收缩。
焊缝金属冷却时, 焊缝由液态转为固态过程中焊缝体积会产生收缩。由于焊缝金属与母材是紧密相连的, 焊缝金属冷却收缩造成整个焊件产生一定变形, 会在焊缝中产生残余应力。同时一条焊缝不会在同一时间形成的, 焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩, 自然会产生焊接应力与变形。
2.3 金属组织的变化。
钢在加热及冷却过程中发生内部相变, 会生成不同的组织, 由于组织的不同, 性能也存在差别, 故此也会造成焊接应力与变形。
3 焊接应力与变形控制措施
3.1 设计措施。
(1) 尽可能减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。焊缝越多内应力源越多;焊缝尺寸的大小直接关系到焊接时受热区大小。焊缝的数量及尺寸会引起构件残余应力与变形的压缩塑性变形区域面积大小。 (2) 合理的焊缝分布, 焊缝间相隔一定的距离。焊缝过分集中会引起应力分布不均匀, 自然会出现多向应力复杂情况。 (3) 采用刚性较小的接头形式。
3.2 工艺措施。
(1) 焊前预热法。在施焊前对焊件预热, 使焊件整体或局部加热到一定温度。对重要构件的焊接、合金钢的焊接及厚部件的焊接, 都要求在焊前必须预热时, 一般采用焊前预热法。 (2) 过程加热法。焊接过程中加热那些拘束焊接区自由伸缩的部位, 使之与焊接区同时膨胀和同时收缩, 使构件焊接应力减小。 (3) 焊后热处理。在焊接完成后对焊件整体或局部进行热处理, 使接头的金相组织得到改善, 提高了焊接接头的塑性、韧性, 从而改善了焊接接头的综合机械性能, 消除焊接应力的目的。 (4) 冷焊法。冷焊法是通过减少焊件受热来减小焊接部位与结构上其它部位间的温度差。具体操作是尽量采用小的热量方法施焊, 选用小电流、熔深浅、短段、断续分层焊, 锤击焊缝除应力施工方式。 (5) 降低焊缝的拘束度。平板上镶板的封闭焊缝焊接时拘束度大, 焊后焊缝纵向和横向拉应力增大, 很容易产生裂纹。降低其残余应力, 应设法减小该封闭焊缝的拘束度。 (6) 合理的焊接施工。合理进行装配焊接顺序施工就是使每条焊缝尽可能自由收缩的焊接顺序:1) 在一个平面上焊接时应保证焊缝的两个方向收缩都不受拘束;2) 先焊收缩量大的焊缝;3) 先焊构件受力最大的焊缝。
4 小结
以上主要对焊接变形与应力的基本知识、形成基本原因作了介绍, 控制措施没有介绍具体方法, 随着工业水平发展控制办法更加多样。
摘要：结合实际生产过程中使用对焊接变形与应力的基本知识、形成基本原因, 以及控制措施事项等做一简单介绍。
关键词：焊接,变形,应力
参考文献
[1]“金属工艺学”邓文英郭晓鹏高等教育出版社2008.12
加工应力变形 篇9
摘 要：如今，汽车行业的发展已成为国民经济中的支柱产业，汽车制造水平将会直接体现一个国家的经济实力，因而汽车领域的开发研究已成为经济发展不可或缺的部分。作为汽车技术含量较高的组成部分，发动机缸体的加工，渐渐渗透于各大企业当中。发动机缸体是薄壁多孔的零件，对于其加工的各项程序精度要求极高，并且零件加工的优劣直接影响发动机的性能。文章主要针对在发动机缸体加工时产生变形的因素进行分析，以及对发动机缸体加工精度的控制。
关键词：发动机缸体；加工变形；精度；控制
中图分类号：TG713.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）17-0016-02
1 概 述
近几年，我国汽车销量有大幅度的提升。从2009年开始我国汽车的产销呈上升趋势，成为世界第一汽车生产和消费国，创我国历史新高。目前，我国的汽车制造主要以中外合资发展为主，主要核心技术掌握在西方国家的手里。发动机生产技术主要来源于美国、德国、日本等国家，例如上海大众、一汽大众、东风日产、广州丰田、广州本田等。
虽然我国当下汽车发动机的研究有突飞猛进的进展，但是面对我国如此庞大的产销需求仍是远远不够。一味地依赖于国外引进的新技术，对于在根本上解决我国的汽车发展的问题没有任何帮助。现在汽车对于发动机的要求越来越多，不仅仅要性能好，更重要的是要有较强的市场适能力强，提高自动化程度高，在大批量生产的同时，减低成本，这就要求在发动机缸体的加工过程中，提高其精度和质量。因此对于发动机缸体的研究和改造具有极其重要的作用。
2 发动机缸体的加工
2.1 缸体加工介绍
发动机缸体作为具有薄壁多孔复杂结构的箱体类零件，在其加工过程中容易产生变形，这就要求对其精度的进行严格控制。目前，发动机的加工生产主要是指在数控加工中心的控制下，按柔性线上完成生产。此项技术对于自动化技术要求较高，并且生产成本相对较低。此外，在缸体加工上，对于任意环节的精度要去非常的高，否则难以达到该项工艺的标准要求。
2.2 缸体加工的具体工艺流程
2.2.1 缸体表面加工
缸体表面加工主要分为平面加工和空隙加工。平面加工主要由端面铣削构成，如：对顶面，底面以及前后端面的加工。而空隙加工常需要镗削、珩磨、钻、铰和攻等工艺组成，包括水套空、安装孔、连接孔、活塞缸孔、油孔等。
2.2.2 缸体加工流程
缸体加工工序大致可分为主要型面加工、主要孔柱加工、清洗检测、辅助结构加工四道程序，不同程序负责的领域不同，定位基准也不尽相同。例如：一部分程序采取两销完全定位方式，也有的采取粗基准3-2-1完全定位方式。而且，不同的方式的定位面也有底面和端面的区别。在缸体的加工过程中，对于缸体底面和端面的加工是极其重要的工序。
2.2.3 缸体加工划分阶段
缸体加工可以分为粗加工和精加工两个模块，每个模块可具体分为两部分，整个生产线分为众多的粗加工单元、半精加工单元以及精加工单元三部分。对于各个阶段要根据所需求的产品进行定位，进行合理化生产。
3 影响发动机缸体加工变形的因素
3.1 工艺系统影响因素
3.1.1 机床误差
对于机床误差而言，主要是由主轴回转导轨和传动误差带来的。例如：在加工过程中，主轴回转导轨对于端面加工的形状及位置影响较大。这会对后续的发动机缸体加工产生巨大影响。
3.1.2 夹具误差
夹具误差可分为定位误差和加紧误差。定位误差可以通过定位方式来矫正，而对于夹紧误差，就需要我们在开始生产零件前，改变夹紧力的大小，从而解决夹具引起的误差 问题。
3.1.3 刀具误差
在如今缸体的生产工艺下，刀具需要与主轴进行紧密结合，对所需要达到的定位精度要求极高，因此刀具在安装上带来的误差以及刀具的振动误差越来越重要。但是面对日益磨损的刀具，其带来的误差，将会使缸体产生加工变形。
3.1.4 工件分析
对于发动机缸体，其端面的切削加工过程会有热和力的变形，这样就会在一定程度上造成不必要的误差。热变形可以采用高压冷却液或冷却刀片进行减小误差，而对于力变形而言，其主要是由于夹具和刀具上的力引起的。根据研究发现，切削力对于工件的加工所形成的误差大于夹紧力，因此铣削加工带来的误差严重影响工件的加工。
3.2 工艺过程影响因素
3.2.1 加工工艺的分析
对于现在的加工工艺而言，主要由刀具路径、加工程序和切削參数构成。刀具路径改变缸体的外形，加工程序决定加工变形，而切削参数严重影响缸体质量。无论是在粗加工产生的切削力还是半精加工由于磨损产生的铣削力，对于这三个组成部分来说都会在一定程度上直接影响缸体的加工精度。切槽刀的相关数据，见表1。
沟槽加工切削用量的相关情况，见表2。
3.2.2 过程调整的分析
在发动机的生产线运行过程中，不仅仅要对设备进行调整，要在工艺方案能够进行的同时，对设备进行参数调整，这样才会改善工件加工过程中，产生的不必要的误差，从而提高缸体精度。
3.2.3 结果测量及分析
对于缸体加工的结果测量，常使用三坐标仪进行测量，其精度可达0.001 mm，满足缸体精度要求，这样对于缸体精度产生的误差可以忽略不计。
4 对于发送机缸体加工精度的控制
4.1 缸体加工变形及精度关系
缸体加工变形严重影响缸体的精度，而缸体觉的精度的大小也会对缸体加工的变形产生一定的影响。缸体的加工变形和精度相辅相成，密不可分。因而，通过改变缸体的精度来减少缸体加工带来的变形，可以在一定程度上解决发动机缸体问题。
4.2 缸体精度控制方法
4.2.1 直接法减少消除原始误差
在缸体的生产过程中，采用直接法来减少误差是最常用的办法。这对于消除加工过程中带来的误差有直接作用。常用的直接法为：在刀具加工一定零件后，更换新的刀具，以确保加工零件的精确性。
4.2.2 误差补偿法和均衡法
所谓误差补偿法是指人工制造出一种新的原始误差，使原来固有的误差得到抵消。人为误差和原始误差大小相同，方向相反，二者的相互抵消可消除误差，进而提高缸体的加工精度。
而均衡法是指：由于加工程序和加工内容不当造成的误差积累，可通过前后内容平衡来消除误差，例如：在粗加工和半精加工过程中，就会使粗加工中的误差遗留到半精加工中，此时就可采用均衡法，使误差降到最低。
4.2.3 误差转移法
常用的误差转移是指在工艺生产过程中，将系统产生的误差转移到不影响产品精度加工方向上，从而达到消除误差的目的。在工艺上可转移的误差有，力变形、热变形以及几何误差等。如缸体后端面密封面在产生接刀痕时，可通过改变走刀路线，消除对密封面的影响。
5 结 果
对于缸体内部复杂的结构，其加工工艺要求比较高。并且在缸体加工过程中，其影响因素受多方面影响，在生产中难免会产生一定的误差，从而降低工件的使用价值，影响缸体的实用性能。故而，在生产缸体的过程中，了解和掌握缸体变形的影响因素，采用合理有效的方法，减少生产中产生的不必要的误差，进而在汽车工程研究方面提高缸体的精度，是每个企业必须面临的发展方向。
6 结 语
发动机作为汽车的心脏，其的实用性能直接影响着汽车工作的使用价值。作为发送机的基础零件，缸体的研究分析直接决定着发送机的整体性能。因而，要想提高发动机的使用性能，就要尝试着控制缸体零件的加工精度和和质量。研究汽车发动机缸体制造过程中的加工变形对于发动机缸体制造的质量和精度控制有着至关重要的作用。在加工过程中，对铣削力、夹紧力的加工变形分析以及相应的精度分析研究，有利于促进我国发动机制造产业的发展，为我国汽车发动机制造提供理論指导基础。
参考文献：
[1] 郭晓亮.汽车发动机缸体加工变形分析及精度控制探析[J].中小企业 管理与科技，2015，（9）.
[2] 陈志刚.批量生产中乘用车车身精度控制[J].汽车工艺与材料，2014，（6）.
[3] 雷锋杰.汽车发动机缸体加工变形分析与精度控制研究[D].上海：上海 交通大学，2012.
焊接应力、焊接变形的产生和控制 篇10
关键词：焊接应力,焊接变形,控制措施
在建筑工程钢结构日益发展的今天, 形式各样的焊接机械、焊接方法日新月异, 焊接技术和焊接质量成了一个关键的课题。但是在施工过程中, 由于焊接过程产生的焊接残余应力和焊接残余变形, 严重影响着工程的质量、工程的安装进度和结构承载力 (即使用功能) , 因此, 需要采用合理的焊接方法和焊接工艺加以控制。建筑工程钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程, 但由于不均匀温度场, 导致焊件不均匀的膨胀和收缩, 从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。
焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后, 存在于焊件中的内应力。按应力作用时间的不同, 焊接应力可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接瞬间应力, 是指焊接过程中某一瞬时的焊接应力, 它随时间而变化。焊件冷却后, 残留于焊件内的应力, 称为焊接残余应力。焊接变形, 即由于焊接而引起的焊件变形。焊接变形包括焊接过程中的变形和焊接残余变形。焊后焊件不能消失的变形, 称为焊接残余变形。我们将主要讨论焊接残余应力、焊接残余变形的产生和控制。
1 焊接残余应力与焊接残余变形产生的原因
影响焊接应力与变形的因素很多, 最根本的原因是焊件受热不均匀, 其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性的不同所致。另外, 焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与焊接变形的大小、方向、分布等也都有一定影响。
2 焊接残余应力和焊接残余变形的分类
2.1 焊接残余应力
按焊接应力的性质划分:拉应力;压应力。
2.2 按引起焊接应力的基本原因划分
热应力, 也称温差应力;组织应力, 也称相变应力;拘束应力, 也称反作用应力或收缩应力。
2.3 按焊接应力作用的方向划分
纵向应力;横向应力;厚度方向应力。
2.4 按焊接应力在焊接结构中存在的情况划分
单向应力 (线应力) ;两向应力 (平面应力) ;三向应力 (体积应力) 。
2.5 按内应力的发生和分布范围划分
第一类应力, 又称宏观应力;第二类应力, 又称微观应力;第三类应力, 它的平衡范围更小, 其平衡范围只可用晶格尺寸来比量。
焊接残余变形, 焊接变形分为六种基本变形形式:收缩变形:纵向收缩变形;横向收缩变形;弯曲变形;角变形;波浪变形;扭曲变形;错边变形。
3 焊接残余应力、焊接残余变形的控制措施
针对这些不同种类的焊接残余应力和焊接残余变形, 追溯根源, 根据实际情况进行分析, 采取有效可行的控制措施。
3.1 焊接残余应力的控制措施
构件焊接时产生瞬时内应力, 焊接后产生残余应力, 并同时产生残余变形, 这是不可避免的现象。焊接残余变形的矫正费时费工, 构件制造和安装企业首先考虑的是控制焊接变形, 往往对控制焊接残余应力较为忽视, 常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制焊接变形, 与此同时实际上是增大了焊后的残余应力。对于一些本身刚性较大的构件, 如板厚较大, 截面本身的惯性矩较大时, 虽然焊接变形会较小, 但却同时产生较大的焊接内应力, 甚至产生焊接裂纹。因此, 对于一些构件截面厚大, 焊接节点复杂, 拘束度大, 钢材强度级别高, 使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布, 其控制措施有以下几种:减小焊缝尺寸;减小焊接拘束度;采取合理的焊接顺序;降低焊件刚度, 创造自由收缩的条件;锤击法减小焊接残余应力;采用抛丸机除锈。
3.2 焊接残余变形的控制措施
全面分析各种因素对焊接残余变形的影响, 掌握其影响规律, 就可以采取合理有效的控制措施。
3.2.1 焊缝截面积的影响
焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大, 冷却时收缩引起的塑性变形量越大, 焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的, 而且是起主要的影响作用, 因此, 在板厚相同时, 坡口尺寸越大, 收缩变形越大。
3.2.2 焊接热输入的影响
一般情况下, 热输入大时, 加热的高温区范围大, 冷却速度慢, 使接头塑性变形区增大。
3.2.3 焊接方法的影响
多种焊接方法的热输入差别较大, 在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中, 除电渣焊以外, 埋弧焊热输入最大, 在其他条件如焊缝断面积等相同情况下, 收缩变形最大, 手工电弧焊居中, CO2气体保护焊最小。
3.2.4 接头形式的影响
在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方法等条件因素相同时, 不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。1) 表面堆焊时, 焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束, 而且加热只限于工件表面一定深度, 使焊缝收缩的同时受到板厚、深度、母材方面的约束, 因此, 变形相对较小。2) T形角接接头和搭接接头时, 其焊缝横向收缩情况与堆焊相似, 其横向收缩值与角焊缝面积成正比, 与板厚成反比。3) 对接接头在单道 (层) 焊的情况下, 其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大, 在单面焊时坡口角度大, 板厚上、下收缩量差别大, 因而角变形较大。双面焊时情况有所不同, 随着坡口角度和间隙的减小, 横向收缩减小, 同时角变形也减小。
3.2.5 焊接层数的影响
横向收缩:在对接接头多层焊接时, 第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律, 第一层以后相当于无间隙对接焊, 接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似, 因此, 收缩变形相对较小。纵向收缩:多层焊接时, 每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多, 加热范围窄, 冷却快, 产生的收缩变形小得多, 而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束, 因此, 多层焊接时的纵向收缩变形比单层焊时小得多, 而且焊的层数越多, 纵向变形越小。
在工程焊接实践过程中, 由于各种条件因素的综合作用, 焊接残余变形的规律比较复杂, 充分了解各因素单独作用的影响, 以便于对工程焊接具体情况做具体的综合分析。所以, 了解焊接变形产生的原因和影响因素, 就可以采取合理有效的控制焊接残余变形的技术措施:
1) 减小焊缝截面积, 在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下, 尽可能采用较小的坡口尺寸 (角度和间隙) 。对屈服强度345MPa以下, 淬硬性不强的钢材采用较小的热输入, 尽可能不预热或适当降低预热、层间温度;优先采用热输入较小的焊接方法, 如CO2气体保护焊。厚板焊接时尽可能采用多层焊代替单层焊。在满足设计要求情况下, 纵向加强肋和横向加强肋的焊接方法可采用间断焊接法。双面均可焊接操作时, 要采用双面对称坡口, 并在多层焊接时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。T形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。采用刚性夹具固定法控制焊后变形。采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形, 如H形纵向焊缝每米长可预留0.5mm~0.7mm。对于长构件的扭曲, 主要靠提高板材平整度和构件组装精度, 使坡口角度和间隙准确, 电弧的指向或对中准确, 以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时, 要采取合理的焊接顺序。设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸, 合理布置焊缝, 除了要避免焊缝密集以外, 还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴, 并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。
综上所述, 在建筑工程钢结构焊接过程中, 一定要了解焊接工艺, 采取合理有效的焊接方法和控制措施, 以便减少和消除焊接残余应力和焊接残余变形。在工作实践中不断总结、积累焊接经验, 综合分析考虑各种影响因素, 才可以保证建筑工程中的焊接工程质量。
参考文献