薄壁结构件（精选12篇）
薄壁结构件 篇1
1 引言
大型结构件的焊接面临的主要问题就是焊接过程中的变形控制问题。由于局部的高温加热和快速冷却, 在焊缝及其母材近缝区内产生热应力变形和压缩塑性变形而产生了内应力, 导致结构件整体和局部的变形, 尤其在大尺寸不规则结构件的焊接时更为明显。所以在大型结构件的结构设计和施焊工艺制定时要充分考虑焊接变形对构件质量的影响。
某大型设备的承重梁为环形大直径回转体焊接结构件, 承重轨道中心直径为35m, 环形承重梁截面尺寸为840mm×740mm。环形梁通过36个均布支撑座安装于厂房顶部。由于环形梁是空间结构尺寸很大、断面尺寸相对较小的回转体结构, 且焊接母材相对很薄, 整体刚度较差, 形状变化不规则, 整体焊缝交叉很多, 在施焊过程中必然产生空间变形和局部形变。对于整体结构变形应从设计阶段即开始预防。
2 梁结构设计
经初步测算, 环形梁自重约74t, 且整体刚度很差, 若整体制造必然需要在安装现场施工, 不能搬运。同时一旦发生焊接变形, 安装现场很难进行焊接变形的校正工作。出于以上考虑, 将整个环形梁进行分解设计, 将整体结构设计成为六段结构相同的弧形梁单体进行焊接和加工, 每段弧形梁单体覆盖60°梁体范围, 弧形梁单体的重量约为12.5t。这样设计的优点是提高了弧形梁单体的相对刚度, 便于加工, 同时把整个环形梁的施工变形分解到弧形梁单体中, 便于对施焊变形及时预防与控制。
每个弧形梁单体的断面结构设计如图1所示。
其中, 弧形下盖板1:厚度50mm, 1块 (一次接板) ;弧形上盖板3:厚度20mm, 1块 (一次接板) ;纵向腹板2:厚度20mm, 12块, 位于安装支撑座上方, 半径方向;周向圆弧腹板4、5、6、7:厚度16mm, 26块;以及其它板材共计74块。
由于是弧形结构梁, 所以每个弧形梁单体在弧向为不对称空间结构;同时在单体横截面上属于重心不对称结构。若施焊前不能全面地预见焊接变形趋势并在施焊时采取必要的措施, 必然造成很大的焊接变形, 从而影响到环形梁的整体质量, 进而影响工期和投资效益。
3 弧形梁单体主要焊接变形分析
3.1 结构形变
由于弧形梁单体上下盖板的尺寸和厚度不同, 环形梁横截面重心靠近厚度较大的50mm弧形下盖板一侧。施焊后由于焊道附近的应力作用, 会使整个单体梁产生向断面重心方向变形的趋势, 即环形梁重心向着较薄的弧形上盖板方向移动。后果为弧形梁单体的两端向较薄的弧形盖板一侧弯曲变形。这种弯曲变形将是弧形梁单体焊接制造过程中的主要变形因素。如图2所示, 梁体下盖板厚度B大于上盖板厚度A, 在如图位置焊接时, 会产生一个重心方向G的整体弯曲变形L。
根据弧形梁单体类似结构件焊接的经验, 整个弧形梁单体的弯曲变形量不会小于80~100mm。
3.2 扭曲变形
弧形梁单体是60°的弧形空间结构, 外侧焊道长于内侧焊道, 焊道长度上焊接的不对称性会使环形梁单体产生扭曲变形。
3.3 角变形
在腹板和盖板焊接时, 由于焊缝横向收缩使盖板在腹板两侧产生角变形, 如图3;另外由于多个周向和纵向腹板以及加强筋的存在, 致使上下盖板整体上产生类似波浪的变形。
3.4 几何尺寸形变
由于施焊后焊缝收缩, 环梁单体也会产生纵向变形和横向变形, 即结构尺寸的变化, 如图4所示。
4 采取的措施
在明确了上述变形的可能后, 在工艺制定上有针对性地采取了相应的预防措施, 以期达到较好的施工效果。
4.1 反变形处理
在扇形梁单体组立焊接前, 将50mm厚的弧形下盖板在焊接平台上做反变形处理, 反变形量控制在60~80mm, 将其整体刚性固定在焊接平台上, 如图5所示, 然后再与纵向腹板、周向腹板组立焊接成型。此反变形量用以抵消焊接时产生的结构形变。
纵向腹板、横向腹板在弧形下盖板上进行组立。组立成为槽型结构后, 对内侧角焊缝进行施焊。箱体内部焊缝施焊结束后, 再组立弧形上盖板, 形成箱式结构, 使弧形梁单体具备了一定的整体刚性。此时环形梁单体的外部焊缝并不施焊。
4.2 焊接方法选择
选择气体保护电弧焊GMAW作为施焊方法, 采用ER50-6准1.2mm焊条。其优点是可实现连续送丝和高电流密度, 所以焊丝熔敷率很高, 同时焊接变形比较小和熔渣微少而便于清理。同时为了减少热输入, 选择较小的焊接参数, 电流180~200A, 电压23~29V, 焊接速度300~450mm/min;同时采用多层多道焊的焊接方法, 例如, 腹板和弧形下盖板的焊接, 焊层达到10层。这样可以在不影响焊接质量的前提下尽可能减小焊接线能量, 减小热影响区范围, 从而减小焊接应力, 同时提高了焊口的塑性质量。
4.3 刚性约束, 限制变形
在下盖板、上盖板和腹板组立成弧形箱体后 (外部焊缝未焊接前) , 解除下盖板与焊接平台的反变形约束。将两个环梁单体的50mm弧形下盖板重合对置并将两块下盖板焊接在一起, 使其互为胎模。此时对接后的两个环梁单体的横截面形成对称结构, 从而起到在焊接时彼此限制对方变形的作用。六部环形梁单体两两组对, 形成三对进行后期施焊 (如图6) 。
4.4 焊缝焊接顺序的选择
在组对的弧形梁单体焊接时, 为有效消除焊接造成的结构应力, 应对各个焊缝的焊接顺序进行选择。由于靠近结构件断面重心越近的部位焊接变形越大, 可以预计与50mm下盖板处焊缝的焊接变形应力必大于20mm上盖板处焊缝的焊接变形应力。故焊缝施焊顺序定为先焊接与20mm上盖板连接的周向焊缝, 之后焊接与50mm下盖板连接的周向焊缝。同时为减少弧形梁单体的扭曲变形应力, 最后进行纵向腹板和周向腹板间焊缝的焊接。
4.5 采用对称施焊的方法
由于弧形梁单体在组对后, 断面在高度和径向上成为对称结构, 施焊时可采用对称施焊的焊接方式。最少两名焊工同时在组对弧形梁对称的位置进行施焊, 使所焊焊缝的应力相互制约, 从而减少环形梁单体的扭曲变形。
4.6 焊后热工校正
大型薄壁结构件的焊接过程必然产生结构焊接变形, 只要变形量控制在期望的范围内, 就可以使用热工法进行校正。在采用了上述的焊接变形预防措施后, 弧形梁单体实测变形量在单体平面内小于30mm, 远远小于预计的80~100mm。对环梁单体的热工校正分两个方面, 对于小范围的角变形和扭曲变形在两部环形梁单体处于组对状态时即予以火工处理。应用三角加热法 (图7) , 附带施加外力予以校正。对于解除约束后环梁单体发生的弯曲变形和尺寸变形, 采用后期直线热工法并外力施加法加以校正。
5 结语
通过上述工艺方案的应用, 弧形梁单体上平面的平面度完全满足5mm的设计要求。同时环形梁制造周期比原计划缩短了将近1个月的时间。
对大型薄璧结构件焊接过程中焊接变形的预测、预防和控制是贯彻整个焊接过程中的问题, 需要长期的经验积累和摸索, 发现其普遍规律性。上面提到的思路和方法同样适用于其他大型薄壁结构件的焊接制造过程, 但还要根据施工现场的条件和具体情况做相应的调整和变化, 以期达到最好的控制效果。
摘要：从工艺路线的角度, 以环形结构梁为例就大型薄璧结构件的焊接变形的过程控制进行了分析与论述。
关键词：环形结构梁,焊接变形,过程质量控制
参考文献
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[3]KOU S.Wilding Metallurgy[M].John Wiley&Sons, 2003.
[4]朱学敏.起重机械[M].北京:机械工业出版社, 2003.
薄壁结构件 篇2
（薄壁镇 韩清富）
近日，我镇为进一步加快现代农业发展步伐，推进农业结构调整，继续夯实“四大基地”建设，即优质种子粮基地、平菇蔬菜基地、林果苗木花卉基地、畜牧养殖生产基地，积极采取一系列相应措施，以实现农民增收、农业增效、强镇富民的目标。
1、坚持不懈抓好种子粮繁育基地建设。目前，我镇的优质小麦总面积近2万亩，主要以西农979为主，为提高推广小麦品种的生产质量，已改良品种更新换代。以合作社为龙头，采取“公司+农户”模式，大胆尝试，全面推广“六统一”经营方式，进一步扩大优质小麦种植面积。在麦收前带领各村支部书记、龙头企业负责人及种粮大户到附近各村及临镇参观优质麦新品种的种植情况，大力引进新品种，在东南各村建立千亩丰产高效田，力争新品种种植面积达到1万亩。并完善经纪人体制建设，畅通销粮渠道。扶持宝泉食品、四街清真饺子的生产规模，力争引进粮食深加工企业，实现农产品增值目标。
2、稳步推进平菇蔬菜基地建设。（1）充分完善和发挥“支部+协会”工作机制的作用，做好产前、产中、产后服务。（2）扎实开展“信用村”创建活动，争取贴息贷款，整合各类惠农资金；搞好技术培训，为平菇提供资金和技术保
障。（3）建立健全经纪人队伍和完善价格信息平台，加强系统管理，加大信息沟通力度，确保菇农增大收益。（4）扶持平菇腌制，鲜菇深加工企业发展壮大，加大冷库建设力度，消除菇农后顾之忧。（5）学习借鉴外地经验，积极探索一年四季种植平菇路子，扶持建成2-3个实验基地。（6）丰富食用菌种植，推广扩大黑木耳种植，引进黄金菇、香菇种植技术，建立示范基地，辐射带动全镇发展。力争新增食用菌大棚1500座，全镇总量达到6000座。为解决平菇空棚期问题，继续推广平菇—丝瓜种植模式，增加农民收入。积极发展大地蔬菜种植，学习我镇马庄种植经验，扩大规模，形成总量优势。
3、林果苗木基地建设抓出成效。结合我镇旅游业发展需要，根据沿山各村情况，扩大东、西沈庄大桃和振国村的晚秋黄梨种植面积，推广二街村的金太阳杏种植经验，并扶持35个日光温室反季节“一边倒”桃树种植。扩大白云寺、龙浴寺的核桃种植面积，对平甸、潭头、东寨、西沟的山楂管理进行技术指导，提高质量和总量，积极鼓励引进山楂深加工企业，提高山楂附加值和群众种植的积极性，对引进的加工企业，政府采取以奖代补形式逐年返还企业五年内上交税收，通过政府带动，逐步形成沿山林果基地建设。抓好大北程村兄弟合作社为中心的草莓种植基地建设，形成总量优势。学习史庄镇花卉种植经验，搞好白云寺村花卉苗木示范
基地建设。
4、稳妥推进畜牧业生产基地建设。鼓励引进猪、牛、羊、鸡，积极引导群众由家庭养殖向养殖小区积聚，保护环境，提高生产效率，改善村容村貌人居环境。对有养羊基础的村，要学习养殖小区圈养小尾寒羊养羊模式，流转土地，实现由放羊到圈养的方式转变，消除林业养殖矛盾，走向规模化、集约化。学习借鉴原阳县朱庄村奶牛养殖小区建设先进经验，推广“公司+农户”的模式，全面淘汰本地牛、传统羊，大力推进品种改良力度，以提高收益。对建成我镇第一个万头猪场、千头牛场、万只羊场和十万只鸡场的养殖小区，政府进行两年不低于5万元的土地流转补贴。在屠宰业方面，结合我镇屠宰场良好基础，逐步培育发展成我市西南最大的生猪屠宰生产线，规划建设清真屠宰加工场，打造薄壁清真品牌。大力发展冷链基础建设，规划建设肉类生鲜、熟食冷库，配备节能环保长短冷链运输车辆，形成养殖+屠宰+加工+保鲜的运输产业链，逐步使我镇成为重要的畜牧业生产加工运输基地。
薄壁零件加工方法研究 篇3
【关键词】薄壁零件；加工变形；工艺措施；误差补偿；高速切削
薄壁零件通常也叫薄壳零件，这类零件的壁厚和它的轴向或径向尺寸比较相差很悬殊，一般认为零件的壁厚与零件最大尺寸比值小于1/20时，就属于薄壁零件。由于这类零件具有重量轻，节省材料，结构紧凑，占空间位置少等特点，因此在机械、航空航天、船舶等很多领域中有较广泛的应用。当然这类零件的加工方法有多种，例如车削、冲压、焊接、滚压等，但对于一些截面比较复杂而尺寸精度和表面粗糙度要求又比较高的薄壁零件，经常采用车削的方法来加工，因此车床上车削加工薄壁零件是一种很重要很普遍的加工方法。
在实际车削加工过程中，由于薄壁零件的毛坯刚性差、强度弱，所以容易发生变形，导致零件的几何精度、位置精度、表面质量等受到影响，易保证零件的加工质量，给车削加工带来一定的困难。因此如何提高薄壁零件的加工精度，减少加工变形，保证产品合格率是业界内越来越关心的话题。因此对薄壁零件切削过程中的常见问题及解决方法作如下讨论。
1.工件装夹不当产生变形
薄壁零件在夹紧力的作用下容易产生变形，影响工件的尺寸精度和形状精度。车削时为了方便，常采用三爪自定心卡盘装夹工件，如图所示，用三爪自定心卡盘装夹薄壁圆柱零件外圆加工内孔时的示意图。当卡爪夹紧工件时，由于卡爪和工件外圆表面间的接触面太小，导致夹紧力分布不均匀，在夹紧力的作用下，工件与卡爪接触的部位产生弹性变形，使零件呈现出三棱形如图1。三棱形内孔经过车削加工为圆柱孔后，不松开卡爪测量孔的尺寸，完全能符合零件图所规定的尺寸要求如图2。但由于内孔的加工是在工件已产生弹性变形的状态下车出来的，加工完毕松开卡爪后，卸下的工件外圆因弹性变形恢复成圆形，而已加工出的圆柱孔则变成三棱形，如图3所示。
同理用一般三爪卡盘的卡爪涨紧薄壁件的内孔加工外圆表面时，也会出现类似的变形情况。
为避免出现这种情况，可用措施如下：
1.1采用开口过渡环
根据工件的外径做一个开口过渡环，将其装配在工件在外面，三爪卡盘直接和过渡环接触夹紧，而工件则通过开口过渡环来夹紧，这样夹紧力也就均匀分布在极大的工件接触面上，可避免工件的装夹变形，如图4所示。
1.2采用专用卡爪
专用卡爪也就是软卡爪，采用软金属材料并加大接触面，工件夹紧时夹紧力就能较均匀地分布在较大的工件接触面上，可有效地避免装夹变形。使用软卡爪装夹薄壁零件是一种即简便又行之有效的装夹方法，软卡爪可根据工件的实际情况做成不同的形状。为提高定位精度，在使用卡爪前，应使其在夹紧或涨紧状态下，根据工件尺寸对其定位基面精车一刀，使它和工件定位基准尺寸一致，如图5所示。
1.3变径向夹紧为轴向夹紧
由于薄壁零件径向刚性比轴向差，为减少夹紧力引起的变形，当工件结构允许时，可采用轴向夹紧的夹具，以改变夹紧力的方向，如图6所示。
1.4增加套类薄壁件毛坯刚性
在零件的夹持部分增设几根工艺肋或凸边，使夹紧力作用在刚性较好的部位以减少变形，等加工终了时再将肋或凸边切去，如图7所示。
2.切削力引起变形
当刀具切入工件挤压被切削金属时，材料内部晶粒变形，分子之间产生滑移，形成材料与晶粒之间的内摩擦。当切屑形成后，它又沿着刀具前面排出，切屑和刀具前面之间、刀具后面和工件加工表面之间形成外摩擦。内、外摩擦力在切削过程中作用在刀具上，阻止刀具进行切削，形成切削抗力即切削力。它是由几个分力组成的空间力，为便于分析计算，一般将其分解为相互垂直的三个力：主切削力、径向切削力和轴向切削力。
径向（轴向）切削力使刀具在切削过程中产生径向（轴向）反作用力，使工件产生弹性变形和振动。若工件不同部位刚度不同，则在切削加工时产生的弹性变形也不同，使刀具实际切去的材料厚度不同，最终导致工件产生变形。
例如工件两端刚度好，越靠近中间刚度越差，则在径向切削力的作用下，越靠近中间产生的弹性变形越大，即“让刀”越严重，致使刀具在两端切去的金属多，中间切去的金属少，则加工的工件呈现中间厚，两端逐渐减薄的曲面形状。
轴向切削力同样由于工件从中心到外径处刚度的不一致，产生不同的弹性变形，最终导致工件端面不再是一个平面而呈现一个凹心面或凸肚形状。
在实际切削加工过程中，切削力是必然存在不可消除的，但可以采取有效措施来改变切削力的大小，从而减小工件因切削力而产生的变形量，提高加工质量。对切削力有影响的因素有很多，主要归纳为几下几方面：
2.1刀具的几何参数
2.1.1前角
在一定范围内，切削力随前角增大而减小。因为前角的大小，决定着切屑变形情况和切屑与刀具前面的摩擦情况，若前角增大会使切屑变形和摩擦均减小，切削力减小。但前角不能太大，否则会使刀具的楔角减小，刀具强度减弱，刀具散热情况差，磨损加快，所以，一般车削钢件材料的薄壁零件时，用硬质合金刀具，前角取 5～20°，粗车时取小值，精车时取大值。
2.1.2后角
一般情况下，切削力会刀具后角的增大而减小，因为后角决定着刀具后面与工件切削表面之间的摩擦力大小，后角大，摩擦力小，则切削力减小。但后角也不能太大，否则会引起刀具强度减弱等不良后果。在车削钢类薄壁件时，硬质合金刀具后角取2～12°，粗车时取小值，精车时取大值。
2.1.3主偏角
刀具主偏角 在30～60°时，主切削力随主偏角的增大而减小；主偏角在75 ～90°时，主切削力随主偏角的增大而增大；通常主偏角在60～75°时，主切削力较小。此外，主偏角的增大，使轴向切削力增大，径向切削力减小。车削套筒类薄壁零件的外圆表面时，取大的主偏角。
2.1.4刃倾角
刃倾角的变化，对主切削力的变化不大，但对轴向、径向切削力的影响却很大。实验表明，当刃倾角增大时，使轴向切削力增大，径向切削力减小。
2.2切削用量的选择
车削过程中，背吃刀量和进给量增大时，切削面积将增大，导致切削力增大。但当切削面积相同时，增大进给量比增大背吃刀量对切削力增大的影响要小。所以，粗加工时，背吃刀量和进给量可以取大些，背 吃 刀 量 一 般 在 0.2～2mm，进 给 量 一 般 在0.2～0.35mm/r：精加工时，背 吃 刀 量 一 般 在 0.2～0.5mm，进 给 量 一 般 在0.1～0.2mm/r 甚至更小。
当切削速度大于50m/min时，随着切削速度的增加，前刀面上的摩擦系数减少，剪切角增大，变形系数减小，切削力将减小。因此粗车时要选用50～80m/min，精车时用尽量高的切削速度，可选用60～120m/min，但不易过高。因此在切削加工时，需合理选用三要素才能有效减少切削力，从而减少变形。
3.切削热引起变形
在车削过程中，由于切屑变形和切屑、刀具、工件间的摩擦，产生大量的热，它传到刀具上使刀具的硬度降低，加速刀具的磨损，使工件加工表面光洁度降低，它传到工件上，使工件产生热变形。使用切削液能够吸收并带走切削区域大量的热量，减小工件因热变形产生的误差，切削液还能渗透到工件和刀具之间，减小摩擦并冲走吸附在刀具和工件上的细小切屑。因此合理地使用切削液能减小切削力，提高刀具耐用度，提高加工表面质量，使工件不受切削热的影响而产生变形，保证加工精度要求。车削钢类薄壁零件时，一般建议使用乳化液，而工件表面质量要求高时使用矿物油较好。
4.振动影响精度
车削薄壁工件时，变形与振动相互影响，使工件变形加剧，影响工件加工精度。虽然振动不可能完全消除，但采取必要的措施可以减少振动。
（1）调整车床的主轴、刀架、床鞍等运动部件的间隙，使其处于最佳运转状态，加强工艺系统自身的刚度。
（2）使用吸振材料。
用软橡胶片、橡胶软管、泡沫塑料等吸振材料，填充或包裹工件后进行车削，有减振甚至消振的作用。薄壁工件内孔精加工完毕后，精车外圆前可将预先准备好的软橡胶片卷成筒状，塞入工件孔内，当工件旋转时，在离心力的作用下橡胶片将紧贴孔壁，能阻尼减振并防止振动的传播，若薄壁工件的外圆已完成精车，需继续精加工内孔时，可将软橡胶胶管均匀地绕在工件外圆上，也能获得较少振动的效果。
（3）远离振源。
车削中途发生振动应立刻停止，先用降低主轴转速、减小背吃刀量、增大进给量的方法消除振纹。然后对刀具几何角度是否合格，工艺系统刚度的好坏等进行仔细检查，无误后重新开始车削。
5.工艺路线的拟定
薄壁零件由于本身刚度差，易变形，因此其工艺过程可划分为粗车、半精车和精车三个阶段来拟定工艺路线。在粗车中产生的误差和变形可以通过半精车和精车给予修正，并逐步提高零件的精度和表面质量，得到合格产品。
在考虑工艺路线时还应重视热处理的安排。在毛坯形成后，粗车前之前应安排人工时效处理，这可消除毛坯制造过程中产生的残余应力，为粗车减少变形量。在粗车后，精车前，必须再安排 一次或多次时效处理，以消除粗加工时产生的应力。对于提高工件表面硬度、改善工件表面力学性能的淬火、渗碳淬火等热处理通常安排在半精加工和精加工之间。
6.薄壁零件新型加工方法
6.1误差补偿技术
薄壁零件的数控加工技术是现代制造企业的核心技术，误差补偿技术应用于薄壁零件加工是通过分析各种不同的误差来源及变化规律，建立适当的误差模型进而有效克服切削力变形、热变形等数控机床加工误差因素的影响，提高零件加工精度。其中南京航空航天大学何宁教授提出的刀具偏摆数控补偿工艺，基本思想是通过建立受力模型、变形模型及数控补偿模型得到数控补偿方案，是使用有限元分析法，模拟分析切削加工时变形的大小，在数控编程时通过刀具偏摆，让刀具在原运动轨迹基础上按变形程度附加连续偏摆，补偿因变形而产生的让刀量，实现一次清除让刀残余材料，使薄壁零件壁厚精度得以保证。从而保证加工精度。数控补偿工艺需配备高精度五轴数控机床，适用于高端制造行业，如航天航空加工中。
6.2高速切削加工技术
高速切削是当今制造业中一项快速发展的新技术，一般认为应是常规切削速度的5～10倍。在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。切削温度、切削力通常随切削速度升高而升高，但超过一定范围后，反而随切削速度的升高而下降，如图8所示。所以高速切削薄壁零件具有以下优越性：
（1）高速切削时，由于采用极小的切削深度和很窄的切削宽度，因此和常规切削状态下的切削力相比至少可减小30%，所以在加工薄壁、薄板类零件时可减小加工变形，易于保证零件的尺寸精度和形位精度。
（2）高速切削时由于切削热的95%将被切屑带走，工件温度升不高，工件的热变形小，这对于减小薄壁、薄板类零件的变形非常有利。
（3）由于工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，而高速切削时，刀具切削的激振频率很高，远离了零件结构工艺系统的低振频率范围，不会造成工艺系统的受迫振动，从而避免切削振动，实现平稳切削降低了表面粗糙度，使加工表面非常光洁，可达到磨削的水平。
（4）高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5-10倍，单位时间材料切除率可提高3-6倍，加工效率得到很大提高。
图8 高速切削区概念
超高速机床是实现超高速切削的前提条件和关键因素，因此机床制造难度大，刀具和计算机辅助设计生产软件等技术含量高，价格昂贵，投资很大，目前国内的高速切削水平和国外相比还有较大的差距。
本文介绍薄壁零件常见种类及特点，分析了薄壁零件在加工中较易出现的一些问题并提出了相应解决方法，希望在实际生产加工过程中能有一定的借鉴性。另外对薄壁零件高精度、高效率加工的几种新型方法作了简单的阐述，虽然这些技术在国内加工水平还不够成熟，但只要我们紧跟世界各种先进切削技术发展步伐，加强对薄壁零件加工方法及工艺技术的研究，肯定会缩小与发达国家的制造能力上的差距，使各种先进制造技术得以推广发展。
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铝合金薄壁结构件的高效加工技术 篇4
1 薄壁腹板零件数控加工工艺
1.1 质量制约因素
腹板超薄类零件在我们实际零件机加过程中经常会遇到, 在切削过程中, 由于切削力的作用腹板会发生弹性变形, 当大部分加工余量被去除后, 随着厚度的逐渐变薄, 腹板在加工过程中的颤动逐渐变得明显, 通常变形量会成抛物线状变化, 在加工条件一定的情况下, 壁厚越薄变形越严重, 产生的误差也越大。
因腹板在切削加工中颤动影响会出现诸多质量问题:例如, 腹板出现颤纹, 表面光度不好;厚度尺寸不符合公差要求, 零件报废等等, 因此对于薄壁腹板结构的加工, 关键问题就是要解决在切削力作用下的弹性变形。
1.2 解决措施
通过实践验证, 我们总结了以下工艺方法可供参考:利用真空铣夹具吸附;在腹板底部增加辅助支撑;针对底部无支撑的薄壁腹板, 粗铣后留有一定余量, 可让铣刀从试件中间位置斜摆进刀, 在深度方向铣到最终尺寸, 然后一次走刀由中间向四周螺旋扩展至侧壁;刀具轨迹避免重复, 以免碰伤切削瞬间变形的表面。
1.3 典型零件案例
1.3.1 零件介绍。
前缘;毛料为铝合金板材 (7050 T7451 δ60) , 属典型的超薄腹板类零件, 腹板厚度仅为1.5mm (公差±0.2) , 零件外廓:700×600, 腹板中间有4处通槽, 降低了腹板的刚性, 给机加增加了难度。
1.3.2 加工控制方案。
在此零件的腹板精加工过程中我们采用的是自制专用真空吸夹, 结构形式如图所示。首先将反面加工到位后进行真空吸附, 再进行正面的切削。粗加工完成后, 腹板留有1mm余量, 再精加工到位, 为保证腹板整体强度, 通槽最后铣切, 并留有0.2～0.3余量保证吸附完全。
1.3.3 实施效果。
通过真空夹具吸附, 大大提高了腹板刚性, 有效的抑制了加工中的弹性变形, 最终腹板壁厚尺寸及表面质量完全达到设计要求。
2 薄壁缘条零件数控加工工艺
2.1 质量制约因素
在薄壁缘条的数控切削过程中, 随着零件壁厚的降低, 零件的刚性减低, 加工变形增大, 容易发生切削震颤, 影响零件的加工质量和加工效率;
对于较深的型腔和侧壁的数控加工过程中, 切削颤动会显的特别明显, 随着切深的增加, 颤动的加剧, 工件与刀具之间会有明显异响, 切削表面同样会有颤纹、表面粗糙等现象, 有的甚至导致壁厚超差。
2.2 解决措施
对于侧壁的铣削加工, 在切削用量允许的范围内, 采用大径向切深, 小轴向切深分层铣削加工, 充分利用零件整体刚性, 进行稳定加工。如遇颤动或变形极为严重的, 为防止刀具对侧壁的干涉, 可以选用或设计特殊形状的铣刀, 以降低刀具对工件的变形影响。
1) 侧壁满刃一刀切的方法也是对待侧壁切削中取得较好的效果。其思路是粗加工侧壁结束后留有较小的余量, 最后在侧壁两侧进行满刃一刀切削, 较小余量可控制在0.5mm～1mm之间, 根据实践也可更小, 目的是为了降低切削力, 而满刃切削目的一方面是增大工件与刀具之间接触面积, 提高刚性, 另一方面是避免分层切削而导致多次光刀的影响。该方法针对深腔和较高的侧壁加工效果会更好, 切削表面会有较高的完整性。
2) 侧壁两侧等高环切方法, 其思想在于在切削过程中, 尽可能的应用零件的未加工部分作为正在铣削部分的支撑, 使切削过程处在刚性较佳的状态。
3 薄壁结构件高速切削技术
3.1 高速切削特点
要想提高生产效率, 国际上拥有先进制造技术的国家, 普遍采用高速铣加工。高速铣加工是数控技术发展起来的集高效、优质和低耗为一体的先进制造技术。
和普通铣切削比, 高速切削具有下列优点:加工效率高;切削力降低;工件热变形减小;加工表面质量高;有利于保证零件的尺寸、形位精度;加工成本降低。
薄壁结构件基于高速切削产生的切削力低、热变形小、表面精度高等特点, 从而实现高效、经济、优质加工的目的。
3.2 高速切削技术被广泛应用薄壁结构件
中航工业沈飞数控加工厂 (以下简称该厂) 在薄壁铝合金结构件高速切削技术方面现已达到成熟阶段, 不同类型的结构件都已在高速铣机床上实现优质高效加工。
3.2.1 薄壁铸件高速铣加工。
这是该厂典型的2项铝合大型铝合金铸件, 壁厚2mm～4mm, 结构复杂, 表面质量要求高, 尺寸公差要求严格。目前采用的是高速切削加工, 加工后的产品质量完全达到设计要求, 其技术含量已达到同行业内顶尖水平。
3.2.2 薄壁长桁类零件高速加工。
长桁类零件在该厂有上百余项, 零件的外形公差要求严格, 零件的表面光度要求较高, 同时, 零件的表面光洁度形成的方式受限 (表面不允许使用抛光的加工方式, 需要保留铣刀加工的痕迹) , 所以, 对数控机床的精度、程序的准确性及刀具均要求较高。
4 结论
薄壁结构件 篇5
基于鲁棒性的概率优化设计在薄壁构件耐撞性中的应用
汽车结构的耐撞性及碰撞吸能优化是现代汽车工业重要的研究内容.耐撞性的优化涉及材料与结构的众多参数,传统的确定性优化设计、碰撞仿真及实验往往只能在一定程度上改善结构的碰撞性能,而无法评估设计参数的可靠性和目标函数的鲁棒性,以及在给定可靠性约束条件下使目标函数的.鲁棒性达到最优状态.将实验设计、响应面模型和蒙特卡罗模拟技术相结合,构造了基于产品质量工程的6σ鲁棒性优化设计方法,实现了对设计目标的优化,并提高了设计变量的可靠性和目标函数的鲁棒性.
作 者：孙光永 李光耀 张勇 钟志华 Sun Guangyong Li Guangyao Zhang Yong Zhong Zhihua 作者单位：湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082 刊 名：中国机械工程 ISTIC PKU英文刊名：CHINA MECHANICAL ENGINEERING 年，卷(期)： 18(4) 分类号：O34 U467.14 关键词：实验设计 响应表面法 6σ鲁棒性优化 碰撞模拟薄壁零件的加工方法研究 篇6
【关键词】薄壁零件；加工分析；精度
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。但薄壁零件的加工是车削中比较棘手的问题，原因是薄壁零件刚性差，强度弱，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大，不易保证零件的加工质量。对于批量大的生产，可利用数控车床高加工精度及高生产效率的特点进行加工，在车工教学中如何解决这个问题呢，可以通过对薄壁零件加工过程的各种变形原因进行材质和技术分析，制定合适的加工方法解决问题。
1.薄壁零件的特点及变形原因
对板状工件而言，薄形工件是指宽厚比值B/H≥10的工件。类似于薄形板状工件，薄形盘状工件是指其外形直径与工件厚度比值比较大的工件；薄形环状工件是指工件圆柱外径与其厚度比值比较大的工件；薄形套类工件是指工件外圆直径与套壁厚度比值比较大的工件，薄壁箱体类工件是指箱体的外形尺寸与其壁厚的比值比较大工件。薄零壁件具有质量轻、节约材料、结构紧凑等特点，导致变形的直接原因有外力夹持、温度过高、振动引起等，具体如下：
1.1受力变形 因工件壁薄，在夹紧力的作用下容易产生变形，从而影响工件的尺寸精度和形状精度。
1.2受热变形 因工件较薄，切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制。
1.3振动变形 在切削力（特别是径向切削力）的作用下，很容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度、形状、位置精度和表面粗糙度。
2.提高薄壁零件加工精度的方法
2.1合理选择装夹方式，减少受力变形
零件装夹可分成定位和夹紧。定位使零件处于稳定状态，对平面来说应采3点定位。在定位点一般要承受一定的夹紧力，并应具有一定的强度和刚性。从定位稳定性与定位精度看，接触面是越小越好；而从夹紧力功能来看，接触面需要越大越好，可以用最小的单位面积压力来获得最大的摩擦力。工件装夹方法薄壁类零件在加工过程中假如采用普通装夹方法，会由于产生很大的变形而无法保证加工精度。如图1所示。
故薄壁类零件的装夹，一般采取以下措施：
（1）增大工件的支承面和夹压面积，或增加夹压点使之受力均匀，并减小夹压应力和接触应力，必要时可增设辅助支承，以增强工件的刚性。但这种方法在应用中有 局限性而且会造成材料的浪费。
（2）增加夹压点或夹压面积通过增加夹压点或夹压面积减小零件的变形或使变形均匀化。如：采用专用卡爪或开口过渡环装夹；采用液性塑料自定心夹头或弹簧夹头装夹；采用传力衬垫装夹等。
（3）变径向夹紧为轴向夹紧使夹紧力作用在刚度较大的轴向，避免了径向发生大的变形。
2.2合理选择切削用量
切削用量的选择为减少工件振动和变形，应使工件所受切削力和切削热较小。背吃刀量，进给量，切削速度是切削用量的三个要素。大量试验证明：背吃刀量和进给量同时增大，切削力也增大，变形也大，对车削薄壁零件极为不利。在加工精度要求较高的薄壁零件时，一般采取对称加工，使相对的两面产生的应力均衡，达到一个稳定状态，加工后工件平整。当某一工序的背吃刀量大时，应力将会失去平衡，工件就会产生变形。
对加工精度要求较高的薄壁类零件，应把粗加工、半精加工、精加工分开进行。粗、半精、精加工分开，可避免因粗加工引起的各种变形，包括粗加工时，夹紧力引起的弹性变形、切削热引起的热变形以及粗加工后内应力重新分布引起的变形。 内应力是引起零件变形的主要因素，为了防止零件的变形，除应严格地进行材料的热处理，使工件具有较好的组织外，在粗加工、精加工之间，最好增加一道去应力工序，以最大限度的消除工件内部的应力。
粗加工时，背吃刀量和进给量可以取大些；精加工时，背吃刀量一般在0.2～0.5mm，进给量一般在0.1～0.2mm/r，甚至更小，切削速度6～120m/min，精车时用尽量高的切削速度，但不易过高。
2.3合理选用切削液
合理选用切削液，能减少切削过程中的摩擦，改善散热条件，从而减小了切削力、切削功率、切削温度，减轻刀具磨损，提高已加工表面质量。粗加工切削量大，产生大量切削热，刀具易磨损，尤其是高速钢，应选用冷却为主的切削液，如乳化液或水溶液。而硬质合金刀具可以不用切削液，如要用则必须连续、充分地浇注，以免产生裂纹。精加工切削液主要是润滑，以提高工件表面精度和表面粗糙度，以采用极压切削油或离子型切削液。同时运用高速加工，高速加工技术是近年发展起来的高效、优质、低耗的制造技术。在高速切削加工中，由于毛坯材料的余量还来不及充分变形就在瞬间被切离工件，工件表面的残余应力非常小，切削过程中产生的绝大多数热量被切削迅速带走，从而减小薄壁零件的热变形，达到表面加工质量。
2.4合理选择刀具
加工孔的车孔刀杆悬伸距较大，刚性差，容易产生振动，并在径向分力的作用下，容易发生让刀现象，影响加工孔的精度。因此加工薄臂零件孔时应尽可能增加刀杆的刚性。同时，为了容易排屑，应在车刀前面开有断屑槽或卷屑槽，在合适的刃倾角下控制切屑排出的方向。
3.结论
车床加工薄壁零件在机械加工中较为常见，由于其刚性差，加工时受切削力、切削热等因素的影响，变形较大，很难保证薄壁零件的加工质量要求。通过采用合适的装夹方式，采取合理的辅助支承和先进的加工方法，同时选择合理的刀具角度和切削用量，是能够保证薄壁零件的加工质量要求的。
参考文献：
[1] 陈日曜.金属切削原理（第二版）[M]北京：机械工业出版社.1995.
薄壁穹顶结构施工工艺及质量控制 篇7
某印度风格佛殿工程占地面积6 000 m2,建筑面积3 450 m2,由大佛殿、展览中心、讲经堂、柱廊、水池等组成。工程为典型印度风格,框架结构,局部2层;大佛殿屋顶采用薄壁穹顶结构,整个穹顶为双曲薄壳结构,总高度21 m,穹顶直径24 m,呈半球状。穹顶内壁为半径12.08 m的标准半球,外壁为变径半球,壁厚由150 mm渐变125 mm渐变100 mm渐变125 mm渐变150 mm。
作为中印佛教国际友谊工程,工程工期紧,任务重,质量要求起点高。工程所用钢筋90%为三级钢,连接难度大;双曲面薄壳,模板支设难度极高;薄壁穹顶厚度仅为10 cm～15 cm,钢筋净距仅3 cm,只能采用自密实混凝土。
2 总体施工设计
穹顶施工分5个施工段:+7.750 m～+11.40 m为第一施工段,+11.40 m～+13.80 m为第二施工段,+13.80 m～+16.20 m为第三施工段,+16.20 m～+18.6 m为第四施工段,18.6 m以上为第五施工段。
施工顺序:搭设满堂架及外施工架→穹顶内模支设→第一施工段钢筋、外模、混凝土→第二施工段钢筋、外模、混凝土→第三施工段钢筋、外模、混凝土→第四施工段钢筋、外模、混凝土→第五施工段钢筋、模板、混凝土→拆模、养护。
3 模板施工控制
3.1 材料选用
模板选用15 mm厚多层板,50 mm×100 mm方木做龙骨,ϕ48×3.5 mm钢管做顶杆、主龙骨。木模板采用环保型脱模剂。
3.2 模板设计
+7.750 m～+18.600 m模板按剪力墙模板设计,模板采用15 mm厚多层板,内竖楞采用50 mm×100 mm方木(平放),间距200 mm,外横楞采用2ϕ48×3.5 mm架子管,布置间距500 mm,采用ϕ14 mm对拉螺栓,间距500 mm×400 mm,元宝形扣件配套使用。+18.60 m以上坡度平缓,按顶板模板设计,只支设底模。
1)方木:平放,中线间距30 cm,净距20 cm。方木和钢楞通过铁丝连接牢靠。2)多层板:15 mm厚,现场放大样,加工成梯形且两腰略带弧度。3)对拉螺栓:采用ϕ14圆钢,两端有40 mm×40 mm挡片,用以固定外壁模板和控制壁厚。4)钢楞:采用2ϕ48×3.5 mm钢管,加工成与标高相对应半径的圆弧,沿穹顶壁弧向间距50 cm。
3.3 模板支撑体系
支撑系统为扣件式满堂脚手架,立杆间距为1 200 mm×1 200 mm,水平杆在+7.750 m以下为1 700 mm,+7.750 m以上为1 000 mm,800 mm,400 mm。距地20 cm设置扫地杆,立杆底端垫方木和钢板。在靠近穹顶处增加小横杆和小立杆,以加密圆弧形钢楞,小横杆应至少与两根满堂架的立杆连接。第三、第四施工段受力最不利,在半径7.5 m～10 m间加密立杆,间距0.6 m×1.2 m。为保证穹顶满堂架架体稳定性和刚度,将穹顶满堂架与16根框架柱相连接,每根柱每层的连接点不少于两道,同时在满堂架的X,Y,Z三个方向加设剪刀撑,Z方向(水平向)剪刀撑每两步一层。 剪刀撑斜杆的接长采用搭接,至少用3个扣件。旋转扣件中心线至主节点的距离不宜大于150 mm。剪刀撑布置示意图见图1。
3.4 模板安装
3.4.1 穹顶内侧模板安装顺序及控制要点
满堂扣件式脚手架→小横杆、小立杆→钢楞→方木→铺设模板→检查、修整。
1)穹顶的曲度主要靠钢楞的位置及弧度来控制。2)按间距20 cm沿竖向放置方木,方木与钢楞间用双道8号铁丝捆绑牢靠,防止方木移位。3)沿环向分层铺设模板,模板用钉子定在方木上。铺设好一层模板后,要用同穹顶内径一致的弧形套模检查,发现不到位的地方要及时调整。上下两层模板应错缝铺设,模板接缝间加海绵胶,上面用黄色宽塑料胶带铺贴。4)每个施工段外模板支设前,要测量钢楞标高和半径,检查内模是否移位,若发生位移,及时调整后再安装外模板。
3.4.2 穹顶外侧模板安装顺序及技术要点
钢筋绑扎完毕经验收合格后方可安装外模板。外模是变半径双曲面,位置全靠对拉螺栓控制,对拉螺栓上的挡片一个顶在内模上,一个顶在外模上,通过挡片间距的变化,达到外模变径的效果。对拉螺栓应先与板钢筋焊接在一起,固定好位置,然后再覆盖上外模板,通过上紧螺帽使外模紧压在螺栓挡片上。
3.5 模板的拆除
每一施工段混凝土浇筑后3 d方可拆除外模板,具体为配置两个施工段的外模板,第二施工段混凝土浇完后拆除第一施工段外模板,第三施工段混凝土浇完后拆除第二施工段外模板,第四施工段混凝土浇完后拆除第三施工段外模板,拆除顺序为从上至下;最后一个施工段混凝土浇筑后28 d,且强度达到100%后方可拆除内模板,拆除顺序为从上至下。脱模困难时,可用撬棍在模板底部撬动、晃动,严禁用大锤砸模板。
4 钢筋施工
1)板顶部和板底部钢筋间距的控制。对于10 cm厚的板,顶部和底部钢筋的间距仅有3 cm,可放置3 cm厚混凝土垫块,垫块要和钢筋绑扎牢靠。对于12.5 cm～15 cm厚的板,要在钢筋网片间加马蹄筋,间距50 cm×50 cm,横放竖放错开。2)纵向钢筋的固定。用铁丝将横向钢筋与贯穿穹顶的满堂架立杆相连接、固定,纵向钢筋通过与横向钢筋的绑扎固定位置。3)钢筋保护层。穹顶钢筋保护层按板设计,厚度15 mm。采用15 mm厚混凝土垫块,垫块要与纵向钢筋绑扎牢靠,间距50 cm×50 cm。
5 混凝土施工
5.1 工艺流程
混凝土施工工艺流程如图2所示。
5.2 施工控制要点
1)模板:要求模板有较高的强度和刚度。为避免漏浆与胀模,在浇筑前一定要检查模板的牢固性。2)密封:模板接缝要尽量少,且应保证严密不漏浆,接缝最大宽度不能大于2 mm,拼缝的部位用胶布贴缝。3)垫块:混凝土垫块必须垫铺均匀,且牢牢固定,以免钢筋移位。4)保湿:与其接触的物件、器具必须保持充分湿润,特别是模板。5)振捣:在浇筑时应辅助以模板外侧振动的方式代替振捣进行施工,注意振捣点均匀分部,严禁就一个点长时间振捣,以免造成混凝土离析。6)浇筑:混凝土泵送前应用高强砂浆进行试泵,以湿润和密封管壁,减小管壁对混凝土拌合物的阻力,保证自密实混凝土泵送顺利进行。7)浇筑间距:自密实混凝土筑点间的水平间距不宜大于5 m,垂直下落最大距离不宜大于2 m。当垂直下落距离不能满足要求时,宜采用导管法浇筑。8)质控指标:本次确定现场质控指标为:坍落度:240 mm～260 mm;坍落扩展度:≥580 mm。另外混凝土流淌要均匀,中间不鼓包,周边不泌水,粘聚性要好。9)养护:混凝土初凝之后,宜采取湿麻布覆盖,并及时浇水,以使混凝土能及时散热,养护龄期不宜少于14 d。另外,拆模时间也要延长,应大于3 d,最好7 d以后。
5.3 施工缝留设及处理措施
1)每一施工段施工后留设一道水平施工缝,施工缝上做凹槽形榫头,做法见图3。2)下一个施工段施工前应先对施工缝进行处理。a.在施工缝处继续浇筑混凝土时,已浇筑的混凝土的抗压强度必须达到1.2 MPa以上。b.注意施工缝位置附近需弯钢筋时,要做到钢筋周围的混凝土不受松动和损坏。钢筋上的油污、水泥砂浆及浮锈等杂物也应清除。
5.4 第五施工段混凝土浇筑(此施工段混凝土按顶板施工)
此段穹顶坡度较小,仅有底层模板,要求混凝土坍落度在140 mm～160 mm之间,以防止流淌。混凝土自下而上分层浇筑,振动棒适当点振,确保密实但又不能使混凝土大量流淌,待混凝土将要初凝时,用套模套出精确弧度,然后分三遍收光,最后覆盖塑料薄膜。
6 结语
该工程按照高标准、高规格的要求,实现了过程精品控制,穹顶结构混凝土外观尺寸准确,棱角整齐,内实外光,基本达到清水混凝土效果,受到印方和国内专家的充分肯定,也证明了事前所设计的施工工艺及质量控制要点的准确性,为今后同类工程的施工积累了宝贵的经验。
摘要：以某印度风格佛殿为例,针对施工过程中的难点和关键点,从模板支撑施工、钢筋加工、混凝土施工3个方面对薄壁穹顶结构的施工工艺及质量控制进行了论述,为今后同类工程的施工积累了宝贵的经验。
薄壁结构件 篇8
耐撞性能较好的薄壁构件要求有较高的吸能力与较低的峰值载荷。在保证薄壁构件吸能能力的情况下, 有效降低其峰值载荷, 是薄壁构件结构设计者的终极目标。
1 诱导缺陷结构作用
为了提高薄壁构件的耐撞性能, 稳定其压溃变形模式。近年来, 众多学者采用多种方式对薄壁构件进行结构改进。而在薄壁构件上采用设置诱导缺陷结构的方法, 可消除碰撞过程中碰撞力曲线波动振幅较大的区域, 实现其平稳受力的目的[2]。此方法是通过在薄壁构件某一特定位置处设置诱导缺陷结构, 使其在碰撞时首先在该处开始塌陷变形, 来降低薄壁构件在此处的刚度, 从而实现减小碰撞力的目的。
1999年, L.Sunghak等[3]率先研究了矩形孔诱导结构对薄壁方管耐撞性能的影响, 指出合理的诱导缺陷结构能够提高吸能能力并降低峰值载荷。国内方面, 2001年合肥工业大学的钱立军等[4]研究了V形凹槽、圆孔、方孔、面内圆孔等诱导结构对薄壁构件耐撞性能的影响。
2 诱导缺陷结构设计要求
在薄壁构件上设置诱导缺陷结构不受安装空间的局限, 通用性高, 具有实际工程应用研究价值。诱导缺陷结构在设计时基于不同方面的考虑主要需满足如下2个要求:从其功能考虑, 作为辅助变形结构, 要有效发挥引导薄壁构件变形的作用, 将薄壁构件的变形向有利的方向引导, 不能破坏整体结构的有效性, 保证碰撞过程中薄壁构件的有效变形模式;从其制造工艺考虑, 为了实现大批量现代化生产的要求, 诱导缺陷结构的设计需要满足合理的工艺性。
3 常见诱导缺陷结构形式
诱导缺陷结构的加工方法常常采用挤压、冲压工艺等, 常见的诱导结构如图2所示, 包括凹槽、圆孔、椭圆形孔、圆孔等。
近年来, 基于诱导缺陷结构在薄壁构件耐撞性中的作用, 引起越来越多的学者对其进行研究。在上述基本结构的基础上, 有的研究者还设计了波纹管等薄壁结构形式[5]。笔者鉴于前人的研究成果, 对诱导凹槽、凸槽、凸凹交错的诱导槽的几何参数、数量及其分布进行了大量的研究及优化设计[6,7,8]。进一步证明了在不改变薄壁构件几何参数、形状和使用材料的情况下, 诱导缺陷结构能够很好地实现控制薄壁构件的变形模式, 提高其耐撞性能。
4 结语
本文主要对诱导缺陷结构在薄壁构件耐撞性中的作用进行阐述, 并从其使用功能和制造工艺考虑提出诱导缺陷结构设计要求, 同时给出了常见诱导缺陷结构形式。指出在不改变薄壁构件几何参数、形状和使用材料的情况下, 诱导缺陷结构能够很好的实现控制薄壁构件的变形模式, 提高其耐撞性能。
摘要：对薄壁构件的诱导缺陷结构进行综合性阐述, 分析其在薄壁构件碰撞过程中的作用及其提高耐撞性能的原理, 并从使用功能和制造工艺方面提出诱导缺陷结构设计要求, 同时给出常见诱导结构形式;指出在不改变薄壁构件几何参数、形状和使用材料的情况下, 诱导缺陷结构能够很好地实现控制薄壁构件的变形模式, 提高其耐撞性能。
关键词：薄壁构件,诱导缺陷结构,耐撞性
参考文献
[1]谭丽辉.参数化薄壁构件模型的耐撞性分析与优化设计[D].长春:吉林大学, 2015.
[2]雷正保.汽车纵向碰撞控制结构设计的理论与方法[M].长沙:湖南大学出版社, 2000.
[3]Sunghak L, Changsu H, Meungho R, et al.Effect of triggering on the energy absorption capacity of axially compressed aluminumtubes[J].Materials and Design, 1999 (1) :31-40.
[4]钱立军, 杨士钦, 马恒永.具有诱导结构的汽车薄壁杆件的耐撞性研究[J].设计.计算.研究, 2001 (6) :9-11.
[5]王晓, 刘星荣, 葛如海.波纹管在汽车碰撞吸能中的正交优化设计[J].江苏理工大学学报 (自然科学版) , 2011 (22) :30-32.
[6]谭丽辉, 徐涛, 张炜, 等.带有圆弧形凸槽金属薄壁圆管耐撞性优化设计[J].振动与冲击, 2013 (21) :80-84.
[7]谭丽辉, 谭洪武, 毛志强, 等.有不同诱导槽结构的薄壁圆管抗撞性优化[J].振动与冲击, 2014 (8) :16-21.
薄壁结构件 篇9
等几何分析方法 (Isogeometric Analysis简称IGA) 是2005年由Hughes[1]率先提出的一种新型数值方法。该方法将CAD技术和CAE技术相结合, 解决了传统数值计算中求解域与几何形体设计所存在的非一致性问题。其基本思想是采用CAD技术中的样条基函数如B样条、NURBS、T样条基函数等作为有限元分析的形函数去逼近未知场函数, 然后再进行偏微分方程的求解。由于几何形体设计与有限元分析的场函数采用同样的数学表达式, 分析的过程中可以避免传统有限元的二次建模, 消除了几何模型和计算模型之间存在的误差, 网格的细化过程方便, 并且保持了几何形体的不变性。
目前, 该方法已被应用于固体力学、流体力学、电磁场等相关问题的求解。Reali[2]及Cottrell[3]分别将其应用到结构动力学问题;Bazilevs[4]将其扩展到流固耦合问题;张勇[5,6]将其与边界有限元进行了耦合, 并且对等几何分析过程中的重控制顶点问题进行了研究;王东东[7]和陈涛[8]分别对边界条件的施加方法进行了研究;Benson[9]将其嵌入到扩展有限元 (XFEM) ;Wall[10]等将其应用于结构形状优化问题。
从理论上讲, 只要单元划分得足够细, 用传统三维实体单元对薄板结构进行有限元分析也能够得到具有要求精度的结果, 而且可以避免引入结构力学的简化, 但是这样的代价是计算成本高。由于基于NURBS的等几何实体单元具有高阶连续性 (内部具有C连续性, 单元节点处具有Cp-1连续性, 其中P为基函数阶数) , 能够以较少的单元得到精确的结果。本文采用基于NURBS的等几何实体单元对四边固定薄板和悬臂板在不同载荷作用下的挠度进行了分析, 细分过程分别采用h-方法和p-方法, 结果能很好的收敛于解析解。对于本文提供的四边固定板和悬臂板结构, 高度方向采用二次基函数, 表面采用高次 (如双四次、双五次基函数) 的实体单元时, 即使粗糙的网格 (如8×8×2) 也能得到较精确的解答。根据本文提供的静力学分析结果, 对于类似板的结构优化问题可以根据具体的精度要求选择单元的阶数和疏密程度。
1 等几何结构分析
1.1 非均匀有理B样条 (Non-Uniform Rationa B-Spline, 简称NURBS)
工业产品几何定义标准以及目前市场上的大部分三维CAD/CAM软件所采用的核心数学方法均为NURBS曲线曲面造型方法[11]。等几何分析中同样采用NURBS来描述几何实体, 其定义式为:
1.2基于NURBS的等几何分析
与传统有限元方法[12]类似, 等几何分析中对于弹性问题控制微分方程如下:
其中f是体力, g和h是规定的本质和自然边界条件, n是自然边界 (38) N的外法线方向向量, u即为所求的未知场函数 (即位移函数) , 在等几何分析中, 该位移函数用样条基函数来近似, 即:
由控制微分方程得到的离散平衡方程为:
其中, u为位移向量, K为总体刚度矩阵, 由单元刚度矩阵Ke组成,
式中B为应变矩阵, D为弹性矩阵, J为将参数坐标转换到全局坐标的雅克比矩阵, ˆe为单元的参数域。
F为全局荷载向量, 由单元荷载向量Fe组成。对于三维弹性问题, 单元荷载向量在第i个方向的分量为:
其中fi和hi分别为第i个方向的体力分量和边界上的应力分量, ˆ (38) e为单元的边界上牵引力的作用区域。
2 基于等几何实体单元的薄壁结构分析
2.1四边固支薄板结构
对于四边固定支承的方形薄板, 如图1 (a) 所示, 板的边长l 10, 厚度h 0.1。
四边固支方形薄板分别在中心集中荷载F=20 (如图1 (a) ) 和上表面均布荷载q=10 (如图1 (b) ) 的作用下, 本文采用2×2×2、4×4×2、8×8×2、16×16×2、32×32×2的单元网格对板的最大挠度值max进行计算, x和y方向均采用3次NURBS基函数, 计算结果如表1。其中, D是薄板的弯曲刚度, 即:
再对x、y方向均采用4次和5次NURBS基函数对模型进行分析, 收敛情况如图2所示。由图可知, 当表面采用双三次NURBS实体单元时, 随着表面单元数目的增多, 分析结果显示出很好的收敛性;当表面采用双四次或者双五次的NURBS基函数时, 即使粗糙的网格也能得到较准确的解答。在细分过程中, 分析结果的相对误差达到5%以内的单元数量见表2, 随着单元的细分, 相对误差减小, 结果收敛于解析解。
2.2 悬臂薄板结构
类似地, 仍然在x、y方向分别采用4次和5次NURBS基函数对模型进行分析, 收敛情况如图4所示。可以看出, 在两种荷载作用下, 对于x和y方向采用较高次 (4次或5次) 的基函数, 当单元数较少时, 解答有点波动, 但是随着单元数的增加结果能很好的收敛到精确解。同上例, 在细分过程中, 分析结果的相对误差达到5%以内的单元数量列于表2中。
3 结论
新结构钛合金薄壁低压轴工艺研究 篇10
关键词：低压轴,薄壁,钛合金,机械加工
1 研究目标
1.1 设计要求
低压轴材料为难加工的钛合金TC11, 零件位置非常重要, 尺寸和技术条件多, 精度要求高, 很多技术条件都在0.02mm以内, 与轴承配合部位尺寸公差仅为0.01mm, 圆柱度0.008mm, 零件壁薄, 加工中易变形, 尺寸和技术条件难以控制, 不好保证。我们以前从未加工过类似结构的长轴颈零件, 没有可借鉴的加工经验。零件三维图如图1所示。
1.2 材料切削特点
低压轴零件材料为钛合金TC11, 属难加工材料, 切削加工性差, 加工效率低, 刀具磨损大。
钛合金切削加工性差的原因:
(1) 导热系数小, 切削温度高。
(2) 切屑与刀具切削刃的接触长度短, 刀尖应力大。
(3) 磨擦系数大, 磨擦速度高。
(4) 钛和钛合金在高温时化学活性高, 使刀具磨损加剧。
(5) 弹性模量小, 屈服比大。
1.3 钛合金薄壁件车削加工特点
(1) 材料组织结构特点导致机械加工中可加工性差;
(2) 加工过程中切削温度高、刀具磨损快;
(3) 材料加工切削用量不易控制;
(4) 零件尺寸精度和形位公差不易保证;
(5) 零件加工中易变形;
(6) 夹紧易变形。
2 主要加工面的加工过程
2.1 内腔型面的加工
精加工大端内型面时, 以小端外圆和中部端面为基准, 加工前找正工序基准, 此工序在数控车床加工, 由于加工行程较长, 为保证尺寸精度分三段程序进行:第一段先加工大端, 其次再加工内止口和内腹板面, 最后在内腹板与内孔转接R20处进行弧转接加工内孔, 此处内孔应提高加工尺寸精度, 以作为后续工序的夹具定位基准。
2.2 外型面及小端内孔的加工
该加工阶段先加工小端内孔, 设计专用精车夹具以已加工完的大端面为定位基准, 涨紧大端内孔, 压板压紧大端外侧安装边, 为提高零件加工系统刚性, 可用中心架作为辅助支撑, 支撑小端外圆中部。加工前找正基准, 因为加工的内孔长度在300mm左右, 考虑到刀杆的装夹, 所以需要的刀杆的长度至少在350mm左右, 加工时设计专用刀杆, 刀杆必须具有防震和高压内冷结构。此工序选用大前角55°带有涂层的硬质合金菱形机加刀片, 由于此内孔直径仅为58mm, 而刀杆直径为48mm, 所以加工过程中铁屑无法或很难排除, 所有的铁屑都缠绕在了到刀头上了, 在刀杆向孔内走刀时铁屑挤在刀杆和已加工完成的零件表面, 致使刀杆受到与加工表面相反方向的力, 产生让刀现象, 即加工表面的直径尺寸越往内孔深处, 尺寸越小, 实际加工验证表明最大时可相差0.7mm, 如果这样加工, 最后的设计尺寸肯定无法保证, 而且表面粗糙度也不好。经反复研究并试验, 改变走刀方向, 即当从孔深处向零件端面方向走刀, 这样加工零件产生的铁屑被留在了已加工表面, 被高压冷却液冲走, 不会存在在铁屑挤在刀杆和零件之间而产生的让刀现象。
在加工外型面时, 安装上夹具上的拉杆, 用压盖压紧小端面, 卸下中心架。加工前先找正夹具定位表面, 以大端面、内孔为基准, 压紧小端面, 加工前找正零件基准再加工。整个外型面长度为650.8mm, 外圆尺寸和技术条件多且要求比较严。外型面部分尺寸精车加工后留余量磨加工, 同样在数控车床进行精加工, 外圆与轴承配合尺寸较精, 精车后再进行磨加工, 精车给磨加工单边留余量0.1mm~0.2mm, 保证配合尺寸和技术条件。由于零件外型面长度较长, 编制数控程序时, 根据尺寸精度等要求编制多段程序。
2.3 外圆的磨加工
磨加工外圆在高精度外圆磨床上进行, 需设计专用磨床夹具, 该夹具为芯轴结构, 一侧有定位环, 用于限制零件定位止口, 另一侧的塞子定位小端内孔椎度, 夹具两侧带有顶尖孔。磨加工前仍需找正零件, 再磨加工外圆, 加工时上刀量不能过大, 一般为0.005mm~0.01mm, 以防止零件窜动。
结语
经过进行低压轴工艺的分析研究, 从而优化了工艺路线、加工方法, 结果表明工艺路线、加工方法可行, 长轴轴颈零件是我们公司首次加工此类零件, 其研制的成功填补了我公司的此类零件加工技术的空白, 为其它长轴类轴颈零件的机械加工提供了宝贵的经验。
参考文献
[1]张耀宸.机械加工工艺设计实用手册[M].北京:航空工业出版社, 1993.
[2]汤湘中.机床夹具设计[M].北京:机械工业出版社, 1988.
薄壁工件加工的因素及方法 篇11
关键词： 薄壁件 工件精度 加工优化
一、影响薄壁件加工因素
1.工件薄壁，在夹紧力的作用下易变形，从而影响工件的尺寸精度和形状度。
2.在加工中产生切削热引起薄壁件热变形，影响尺寸精度。
3.在切削背向力的作用下，易产生振动和变形，影响工件尺寸精度、表面粗糙度及形位精度。
二、减少薄壁工件变形的方法
1.采用粗精车分序加工：在粗车时考虑到切削余量较大和提高加工效率，相应的夹紧力稍大些。精车前适当释放卡爪，消除粗车时因切削力过的引起的变形，精车时夹紧力可稍小些，加工完成。
2.刀具的几何参数：刀具参数的合理选择是反映切削过程中多因素综合效果的重要标志。切削角度、刃口的形状在切削中都是相互影响的，侧重于保持刀刃的锋利和切削过程的稳定，从而减小切削力，应选较大的前角，较小的刀尖角。从减小振动方面应采用较小的刀具后角增大刀具后面与工件的接触面积，达到消振的目的。
3.精车薄壁工件时，要求刀柄的刚度高，车刀的修光刃不宜过长（一般取0.15mm—0.3mm），刃口要锋利。
4.切削用量的选择：切削力与背吃刀量、切削速度、进给量密切相关，当背吃刀量和进给量同时加大，切削力就大，工件变形也大；减少背吃刀量、增大进给量（0.6-0.8mm/r），切削力虽然有所下降，但工件的表面残余面积大，粗糙度增加，同时导致零件变形。一般粗加工时背吃刀量和进给量可以大些，精加工时背吃刀量在0.3—0.5mm左右，进给量应在0.15mm/min左右，精车时选用高的切削速度，三者要选用合适，可以提高加工精度。
5.装夹工艺的选择：使用开缝套筒或特制的软爪，增大装夹时的接触面积，使夹紧力均布在薄壁工件上，从而减少夹紧产生的变形。在切削时浇注充分的切削液，是防止和减少薄壁工件变形的有效方法。
使用吸振材料，用软橡胶管、棉纱、泡沫等填充或包裹薄壁工件，能起到减少振动和消除噪声的作用，也可填充低熔点物质的方法车削薄壁套，减少工件的变形。另外，车床的间隙调整到合适的程度也是提高机床刚性的重要手段。
[加工实例]
图1所示为我校企合作单位一薄壁工件，采用设备是沈阳数控机床配备广州数控系统GSK980TA的数控机床。为能提高零件合格率，我们改进了工装，优化了刀具的几何参数和切削用量，保证了工件质量。
件1为内孔尺寸加工完成外圆待加工的工件，左端为卡盘夹持的部位，直径100mm，长度50mm，件2为开口的锥度涨胎，锥度比为1：30，件3为芯轴，相同的锥度，利用螺纹的锁紧使件2锥度开口处与工件充分接触，使工件在夹具能够良好的定位和传递切削力，既防止了振动，又有利于切削加工，在件2和件3配合面处涂抹润滑油有利于拆卸。
[刀具和切削参数]
外圆粗精车均用主偏角93度，刀尖角55度的机夹车刀，刚性强，减少振动，红硬性好，耐磨损，无需刃磨刀具。
外圆粗车主轴转速为800-900r/min-左右，进给速度F100-F120，预留精车余量0.3mm左右。精车时主轴转速在1000-1100r/min，进给速度F40左右。
切削时充分浇注冷却液，能带走大量切削热，防止工件变形保证加工精度。
以上几种加工方法在生产实践中经常接触到，在上述论述中难免有纰漏之处，敬请原谅并指正。
参考文献：
[1]车工工艺学[M].中国劳动社会保障部出版社.
薄壁结构件 篇12
关键词：冷弯薄壁型,抗震性能,影响因素
0前言
冷弯薄壁型钢结构体系主要由屋盖、楼盖、组合墙体及围护结构等组成。屋盖和楼盖主要承受竖向荷载, 组合墙体则既承受竖向荷载, 又承受风以及地震等水平作用。典型的冷弯薄壁型钢组合墙体由C形 (和U形冷弯薄壁型钢构件组成的钢骨架, 与墙面板或交叉支撑经自攻螺钉连接而成。
冷弯薄壁型钢结构相对于传统钢筋混凝土结构具有较大的优势: (1) 用钢量经济, 钢材可完全回收, 建材符合绿色要求, 满足国家环保和可持续发展要求; (2) 轻质高强, 在满足上部承载力的同时对地基承载力要求不高, 可大幅度降低基础造价; (3) 结构的所有构件都可以模数化设计、工厂标准化生产, 能较好地保证质量, 推动建筑产业化进程; (4) 现场组装, 混凝土湿作业少, 施工文明, 对环境影响小, 不受地域和季节的影响, 建设周期短, 加快资金回笼, 降低投资风险, 提高投资效益; (5) 各种管线可暗埋于墙体和楼盖中, 布置简单, 检修维护容易, 墙体截面小, 建筑可用面积大。鉴于该体系的诸多优点, 当前国家和众多企业在市场上大力推广应用。
而我国又地处世界两大主要地震带-环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位, 受太平洋板块、印度板块与菲律宾海板块的挤压, 地震断裂带十分发育。板块构造位置决定, 我国地震频繁、震灾严重。近几年的地震给我们国民经济造成了巨头的损失, 冷弯薄壁型钢结构住宅体系要被大众所接受, 必须研究清楚其抗震性能。
1 结构地震力计算
地震力是指结构物由于地表运动而受到相应加速度, 进而产生的惯性力, 土压力和水压力的总称。由于水平振动对建筑物的影响最大, 因而一般只考虑水平振动。水平地震作用的计算方法主要有底部剪力法和振型分解反应谱法[1]。两种计算方法地震力均等于“等效重力×地震系数”, 所以地震力跟结构体系的自重成正比。而冷弯薄壁型钢结构住宅体系自重较普通钢筋混凝土房屋轻很多, 所受地震力较小。
2 冷弯薄壁型钢结构体系抗震性能影响因素
冷弯薄壁型钢结构住宅体系是一个多种构件装配在一起的结构体系, 其体系的抗震性能由组成的各个部分力学性能决定[2]。
2.1 组合墙体
组合墙体按其受力特性可分为承重墙体和抗侧墙体两种, 前者以承受竖向荷载为主, 后者以承受水平剪力为主。
2.1.1 承重墙体
冷弯薄壁型钢结构体系的承重墙体可有效承担屋盖、楼盖传递的竖向荷载。构件壁厚根据所承受的荷载而定, 上部楼层构件的材料厚度可随荷载的减小而减小。所有承重墙窗洞口上方必须设置过梁, 过梁可采用箱形、工形、L形截面或析架形式, 以支撑洞口上的屋架或楼盖梁。
承重墙体除了满足相应的结构构造外, 还应: (1) 减少层间错移, 提高水平抗震力。 (2) 对墙架柱的翼缘进行侧向支撑, 以保证结构的整体稳定性, 提高承载能力。
2.1.2 抗侧墙体
保证抗侧墙体的抗剪和抗倾覆能力, 是研究冷弯薄壁型钢结构体系的关键。为抵抗风荷载、地震作用和确保建筑物在施工期间和建成后的整体稳定性, 必须满足: (1) 构件截面、厚度、尺寸合适, 且可靠连接成一个整体。 (2) 支撑和传力构件布置齐全。
周绪红等[3]对采用OSB板与石膏板作为墙面板的不同高宽比的组合墙体进行了一系列足尺试件的水平单调加载和往复加载试验。研究结果认为:墙体的破坏主要表现在螺钉被拔出, 此时墙面板与墙架柱之间的约束失效;墙体的钢材强度对其抗剪承载力的影响不大。指出了在墙架柱截面和间距不变的情况下, 自攻螺钉的连接对组合墙体抗震性能的起决定性的作用。
2.2 组合楼盖
低层冷弯薄壁型钢结构住宅中, 楼盖主要传递竖向荷载, 但在多层冷弯薄壁型钢结构住宅中, 楼盖除了传递竖向荷载给墙体外, 又要传递水平风荷载及地震力到组合墙体, 更重要的作用是保证抗侧力结构体系的空间协同工作, 因此必须保证楼盖具有足够的强度、刚度和整体稳定性。因而结构设计时不仅要加支撑和加劲件保证楼盖的平面内刚度, 还要合理设计楼盖与墙体、楼盖与基础的有效连接, 提供一个从结构任意部分直到基础的完善传力路径。
贾子文[4]对冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖受力性能从试验、有限元、理论三方面进行了分析, 得到了组合楼盖在施工阶段的强度和刚度;正常使用阶段的抗弯刚度和自振频率;组合楼盖的抗弯极限承载力和破坏机理;组合板的粘结性能、螺钉连接抗剪承载力和破坏模式。证明了通过适当的构造措施能保证楼盖结构的平面刚度。
2.3 连接节点
因冷弯薄壁型钢结构体系中构件壁厚很薄, 墙架柱与楼盖梁节点连接若采用焊接, 施工质量、节点性能不易保证, 且减缓了施工速度。当前工程普遍采用自攻螺钉连接各种构件, 快速且不消弱构件自身强度。
黄川[5]通过自攻螺钉连接的冷弯薄壁C型钢梁柱节点试验, 对连接节点的刚度即连接的M-θ曲线的进行了测试。结果表明螺钉数量和间距对节点的初始刚度和弯矩承载力影响较大。说明了自攻螺钉对节点抗震性能的显著影响作用。
2.4 整体结构
李元齐[2]对一两层高强超薄壁冷弯型钢住宅结构足尺模型的振动台试验, 试验结果表明:结构破坏均发生在连接部位和覆面板的局部区域, 破坏模式为自攻螺钉的脱落和石膏板的局部破裂, 而内部主体型钢龙骨基本无破坏。再次表明该结构体系抗震设计的重点应在构件间的连接。
3 结论
冷弯薄壁型钢结构体系自重较轻, 受到的地震力较小, 再加上该结构的主体构件轻质高强, 结构各部分的力学性能优异, 自攻螺钉连接件成为影响整体结构抗震性能的关键因素之一。在主要构件尺寸不变的情况下, 合理的设置自攻螺钉尺寸和间距是整体抗震性能优化的主要方向。
参考文献
[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.
[2]李元齐, 刘飞, 沈祖炎, 等.高强超薄壁冷弯型钢低层住宅足尺模型振动台试验[J].建筑结构学报, 2013, 34 (1) :36-43.
[3]周绪红, 石宇, 周天华, 于正宁.冷弯薄壁型钢组合墙体抗剪性能试验研究[J].土木工程学报, 2010, 43 (5) :39-44.
[4]贾子文, 周绪红.冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖振动性能试验研究[J].土木工程学报, 2011, 44 (4) :43-51.