CN108037068A - 一种检测铝合金厚板加工变形量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测铝合金厚板加工变形量的方法，所述方法包括利用铝合金厚板矩形试验件每道机械加工剥层检测法和测定层间应力，确定待测件变形规律与厚板应力的关系，随后检测设计的零件，获得厚板剥层变形允许的极限参数，以指导厚板生产工艺控制。其中将原始厚板从表面向心部逐层机加工；测定逐层应力；同批厚板试验件及航空零件加工变形验证。本发明提供的技术方案准确确定铝合金厚板零件加工变形能否满足设计要求。可广泛用于航空等铝合金厚板生产的应力控制，保证零件实际生产中的变形量满足设计要求，是一种简单易行的可准确确定零件加工变形的方法。

Description

一种检测铝合金厚板加工变形量的方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料加工变形量的测定方法，具体涉及一种检测铝合金厚板加工变形量的方法。

背景技术

随着现代大型客机性能要求的不断提高，许多骨架零件尤其是主承力结构件，如飞机的整体框、整体梁、整体腹板、长桁等普遍采用大型整体毛坯机的加工，大型整体结构件体积大、壁薄、刚性差、易变性、切削加工余量大，加工周期长，对加工质量和精度很难控制，所以对此类航空整体结构件实现高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造业面临的一个重要课题。大型航空整体结构件的精密加工过程，受很多因素影响，其中毛坯材料的均匀性则是重要影响因素之一。由于大型结构件对毛坯材料的尺寸规格要求越来越高，而超宽超厚板材在轧制、固溶、拉伸、时效等一系列工艺流程中，板材内部存在不均匀的温度场和变形场，导致板材内部残余应力分布的不均。毛坯初始残余应力在加工过程中发生释放与重分布，造成整体结构件的翘曲变形。目前，无损残余应力检测手段主要有：X射线测定法、磁性测定法、超声波测定法等，而这些无损检测手段测试深度有限，无法满足厚大截面尺寸锻件及厚板的检测需求。当采用轮廓法、盲孔法等破坏性手段检测材料残余应力时，由于这些方法测试区域小、成本高、无法反映材料整体残余应力分布情况，也无法直接对材料的机械加工性能进行判断，更无法有效指导工件的机加工。

因此，当检测铝合金板材的力学、腐蚀等各项性能时，对于发现的机加工过程中出现尺寸超差、不合格等现象，如何对板材机械加工性能进行快速有效的评价、对生产过程中板材残余应力分布进行控制，就成了亟待解决的难题。

铝合金中厚板一般是用扁锭制造的，而铸造大型扁锭常采用双液穴分流方法，该法导致板材1/4宽度位置最后凝固，该位置组织不均匀，残余应力最大。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种对板材1/4宽度位置试样进行逐层铣切的方法，针对大尺寸零件最具代表性的翘曲变形进行分析，掌握不同规格7050、2124、2297等铝合金厚板铣切过程中的翘曲变形情况及残余应力分布变化规律，并结合试验件及实际零件的加工检测，分析制定铝合金厚板铣切加工性能判定允许值，将铝合金厚板机加工性能的测定这一复杂问题简化为剥层法翘曲变形的测量。

本发明所要解决的技术问题是，提供一种判定30～220mm铝合金厚板机加工变形情况的简易方法，并对板材残余应力的控制做出指导，通过本方法对材料进行鉴别和生产，大大提高了铝合金厚板铣切加工性能及大型整体零件的机加工成品率。

实现本发明目的所采用的技术方案是：

一种检测铝合金厚板加工变形量的方法，所述铝合金板厚30～220mm，其改进之处在于，

(1)取样：以铝合金厚板整板1/4宽度位置为中心，沿轧制方向切取矩形试样毛坯，该矩形试样毛坯的规格长350～500mm，宽40～60mm；

(2)试样加工：以板材下表面作参考平面，磨削加工所述板材上表面，每次磨削加工去除量小于0.02mm厚，总去除量小于0.50mm厚，该板材上下表面平行度公差0.1mm，上表面平面度公差为±0.08mm，其中的测量精度为0.001mm；

(3)铣切试样：用数控铣切，设备精度要求不低于0.02mm；用千分尺测量变形量，测量精度不低于0.001mm；将试样固定于加工中心工作台，试样逐层去除，加工过程为：

3.1铣切加工包括：

用四刀头立式面铣刀铣切，转速1500r/min，进给速度400mm/min，单刀切深量2mm，检测试样的变形量及残余应力，两次检测之间去除的金属量定义为单次铣切去除量，每个单次铣切变形量包含单刀切深量加补充切深量0.2mm或多次单刀切深量加补充切深量0.2mm，每次铣切变形量2～10mm；

(4)变形量及残余应力的测量：每完成一个单次的铣切去除量，测量一次试样的变形量；

(5)机加工试样的检测：选择不同变形量分布水平的材料进行机加工，用截面为“π”形、“H”形的试样模拟件进行加工变形，检测材料的机加工性能，确定所述矩形试样变形；

(6)零件加工及矩形试样变形值的确定：按飞机前起落架舱右侧板的加工测量，确定所述矩形试样变形极限允许值。

本发明提供的第一优选技术方案中，所述铣切加工用直径50mm，刀尖半径R0.4mm的铣刀铣切。

本发明提供的第二优选技术方案中，第四步变形量测量的步骤如下：

将铣切平面宽度中心线距进刀端端面60mm的位置定为零点A，将变形量的测量位置作为铣切加工平面几何中心点B，机床平台测量；测量时松开出刀端螺栓，但进刀端仍为夹紧状态，以所述A点为零点，记录所述B点的翘曲变形量；记录铣切加工前的B点值记为B0，其后的每次铣切测量值依次记为B1、B2、B3……B10、B11；Bn+1-Bn为第n次铣切后单次铣切变形量，其中Bn+1和Bn分别是第n+1次和第n次铣切后B点的变形量，0≤n≤10。

本发明提供的第三优选技术方案中，第五步机加工试样的检测包括：

4.1“π”形试样截面试件的铣切加工工序包括：

铣六面→零件内槽开粗→零件外形开粗→粗铣零件内槽→粗铣零件外形→精铣腹板→精铣零件内形筋厚→精铣外形筋厚→卸零件外形→精修底边外形轮廓

4.2“H”形试样的铣切加工工序包括：

铣六面→零件内槽开粗→零件外形开粗→粗铣零件内槽→粗铣零件外形→精铣腹板→精铣零件内形筋厚→精铣外形筋厚→加工反面→零件内槽开粗→零件外形开粗→粗铣零件内槽→粗铣零件外形→精铣腹板→精铣零件内形筋厚→精铣外形筋厚→卸零件外形→精修底边外形轮廓；

4.3模拟件的铣切工艺参数如下：

粗铣：

普通数控铣，铣刀转速n/min：2000～5000；进给速度mm/min：1000～2000；

铣切深度mm：1～6；

高速数控铣：

铣刀转速n/min：6000～15000；进给速度mm/min：3000～7000；铣切深度mm：1～5；或铣刀转速n/min：15000～20000；进给速度mm/min：7000～10000；铣切深度mm：1～5；

精铣：

普通数控铣，铣刀转速n/min：2000～5000；进给速度mm/min：1000～2000；铣切深度mm：1～6；

高速数控铣：

铣刀转速n/min：6000～15000；进给速度mm/min：960～7000；铣切深度mm：1～5；

或铣刀转速n/min：15000～20000；进给速度mm/min：2400～10000；铣切深度mm：1～5。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明的方法能简易判定铝合金厚板的铣切加工性能，预判零件加工变形能否满足设计要求，并可指导铝合金厚板生产过程中残余应力的控制，可广泛用于铝合金厚板生产过程的应力控制，保证零件实际生产中的变形量满足设计要求，可以有效提高大型铝合金机加工零件的成品率，是目前简易判定零件加工变形的唯一方法。

本发明提供的对板材1/4宽度位置试样进行逐层铣切的方法，针对大尺寸零件最具代表性的翘曲变形进行分析，可以准确掌握不同规格7050、2124、2297等铝合金厚板铣切过程中的翘曲变形情况及残余应力分布变化规律，并结合试验件及实际零件的加工检测，分析制定铝合金厚板铣切加工性能判定允许值，将铝合金厚板机加工性能的测定这一复杂问题简化为剥层法翘曲变形的测量。

附图说明

图1是本发明的试样加工图；

图2是变形量和残余应力测试点说明图；

图3是“π”形截面试验件示意图；

图4是“H”形截面试验件示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1.1矩形试样加工及测量

选择10批牌号7050规格为120mm×2000mm×2600～4000mm的铝合金预拉伸厚板，按本专利方法进行铣切加工，10批次板材最大变形量及残余应力记录如表1所示。

表1最大变形量及残余应力值记录表

1.2“π”形“H”形截面试验件加工及测量

对以上10批次7050厚板进行“π”形“H”形截面试验件的加工及测量，测量结果见表2及3，可以看出矩形试验件变形量较大试样，试验件变形量也较大。

表2π形截面验证件尺寸检测结果

表3H形截面验证件尺寸检测结果

1.3实际零件加工及测量

选择批次编号为2、3、8、9的四批次板材进行实际零件的加工，尺寸检测结果见表4。可以看出采用批次编号3和编号8的材料加工的零件变形量较大，且翘曲变形超出HB5800-1999相关要求。

表4实际零件尺寸检测结果

批次编号	平面度，mm
		2	0.15
3	0.68
		8	0.64
9	0.35

实施例2

2.1矩形试样加工及测量

选择10批牌号7050规格为155mm×2000mm×2600～4000mm的铝合金预拉伸厚板，按本专利方法进行铣切加工，10批次板材最大变形量及残余应力记录如表5所示。

表5最大变形量及残余应力值记录表

2.2“π”形“H”形截面试验件加工及测量

对以上10批次7050厚板进行“π”形“H”形截面试验件的加工及测量，测量结果见表6及7，可以看出矩形试验件变形量较大试样，试验件变形量也较大。

表6π形截面验证件尺寸检测结果

表7 H形截面验证件尺寸检测结果

2.3实际零件加工及测量

选择批次编号为1、2、4、9的四批次板材进行实际零件的加工，尺寸检测结果见表8。可以看出采用批次编号4和编号9的材料加工的零件变形量较大，且翘曲变形超出HB5800-1999相关要求。

表8实际零件尺寸检测结果

批次编号	平面度，mm
		1	0.45
2	0.29
		4	0.78
9	0.67

实施例3

3.1矩形试样加工及测量

选择10批牌号2297规格为30mm×2000mm×2600～4000mm的铝合金预拉伸厚板，按本专利方法进行铣切加工，10批次板材最大变形量及残余应力记录如表9所示。

表9最大变形量及残余应力值记录表

3.2“π”形“H”形截面试验件加工及测量

对以上10批次2297厚板进行“π”形“H”形截面试验件的加工及测量，测量结果见表10及11，可以看出矩形试验件变形量较大试样，试验件变形量也较大。

表10π形截面验证件尺寸检测结果

表11 H形截面验证件尺寸检测结果

3.3实际零件加工及测量

选择批次编号为1、4、7、8的四批次板材进行实际零件的加工，尺寸检测结果见表12。可以看出采用批次编号4、7和编号8的材料加工的零件变形量较大，且翘曲变形超出HB5800-1999相关要求。

表12实际零件尺寸检测结果

实施例4

4.1矩形试样加工及测量

选择10批牌号2297规格为98mm×2400mm×2600～4000mm的铝合金预拉伸厚板，按本专利方法进行铣切加工，10批次板材最大变形量及残余应力记录如表13所示。

表13最大变形量及残余应力值记录表

4.2“π”形“H”形截面试验件加工及测量

对以上10批次2297厚板进行“π”形“H”形截面试验件的加工及测量，测量结果见表14及15，可以看出矩形试验件变形量较大试样，试验件变形量也较大。

表14π形截面验证件尺寸检测结果

表15H形截面验证件尺寸检测结果

4.3实际零件加工及测量

选择批次编号为1、2、3、4的四批次板材进行实际零件的加工，尺寸检测结果见表16。可以看出采用批次编号3和编号4的材料加工的零件变形量较大，且翘曲变形超出HB5800-1999相关要求。

表16实际零件尺寸检测结果

批次编号	平面度，mm
		1	0.40
2	0.38
		3	0.78
4	0.62

实施例5

5.1矩形试样加工及测量

选择10批牌号2124规格为185mm×2400mm×2600～4000mm的铝合金预拉伸厚板，按本专利方法进行铣切加工，10批次板材最大变形量及残余应力记录如表17所示。

表17最大变形量及残余应力值记录表

5.2“π”形“H”形截面试验件加工及测量

对以上10批次2297厚板进行“π”形“H”形截面试验件的加工及测量，测量结果见表18及19，可以看出矩形试验件变形量较大试样，试验件变形量也较大。

表18π形截面验证件尺寸检测结果

表19 H形截面验证件尺寸检测结果

5.3实际零件加工及测量

选择批次编号为1、2、6、7的四批次板材进行实际零件的加工，尺寸检测结果见表20。可以看出采用批次编号1和编号9的材料加工的零件变形量较大，且部分尺寸偏差超出HB5800-1999要求。

表20实际零件尺寸检测结果

批次编号	平面度，mm
		1	0.77
2	0.12
		6	0.18
7	0.62

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种检测铝合金厚板加工变形量的方法，所述铝合金板厚30～220mm，其特征在于，

(1)取样：以铝合金厚板整板1/4宽度位置为中心，沿轧制方向切取矩形试样毛坯，该矩形试样毛坯规格长350～500mm，宽40～60mm；

(2)所述试样的加工：以板材下表面作参考平面，磨削加工所述板材上表面，每次磨削加工去除量小于0.02mm厚，总去除量小于0.50mm厚，该板材上下表面平行度公差0.1mm，上表面平面度公差为±0.08mm，其中的测量精度为0.001mm；

(3)铣切试样：用数控铣切，设备精度不低于0.02mm；用千分尺测量变形量，测量精度不低于0.001mm；将试样固定于加工中心工作台，试样逐层去除，加工过程为：

3.1铣切加工包括：

用四刀头立式面铣刀铣切，转速1500r/min，进给速度400mm/min，单刀切深量2mm；检测试样的变形量及残余应力，两次检测间去除的金属量为单次铣切去除量，每个单次铣切变形量包含单刀切深量加补充切深量0.2mm或多次单刀切深量加补充切深量0.2mm，每次铣切变形量2～10mm；

(4)变形量及残余应力的测量：每完成一个单次的铣切去除量，测量一次试样的变形量；

(5)机加工试样的检测：选择不同变形量分布水平的材料进行机加工，用截面为“π”形、“H”形的试样模拟件进行加工变形，检测材料的机加工性能，确定所述矩形试样变形；

(6)零件加工及矩形试样变形值的确定：按飞机前起落架舱右侧板的加工测量，确定所述矩形试样变形极限允许值。

2.根据权利要求1所述的一种检测铝合金厚板加工变形量的方法，其特征在于：所述铣切加工用直径50mm，刀尖半径R0.4mm的铣刀铣切。

3.根据权利要求1所述的一种检测铝合金厚板加工变形量的方法，其特征在于：第四步变形量测量的步骤如下：

将铣切平面宽度中心线距进刀端端面60mm的位置为零点A，；将变形量的测量位置作为铣切加工平面几何中心点B，机床平台测量；测量时松开出刀端螺栓，但进刀端仍为夹紧状态，以所述A点为零点，记录所述B点的翘曲变形量；将记录的铣切加工前的B点值记为B0，其后的每次铣切测量值依次记为B1、B2、B3……B10、B11；Bn+1-Bn为第n次铣切后单次铣切变形量，其中Bn+1和Bn分别是第n+1次和第n次铣切后B点的变形量，0≤n≤10。

4.根据权利要求1所述的一种检测铝合金厚板加工变形量的方法，其特征在于：第五步机加工试样的检测包括：

4.1“π”形试样截面试件的铣切加工工序包括：

铣六面→零件内槽开粗→零件外形开粗→粗铣零件内槽→粗铣零件外形→精铣腹板→精铣零件内形筋厚→精铣外形筋厚→卸零件外形→精修底边外形轮廓

4.2“H”形试样的铣切加工工序包括：

铣六面→零件内槽开粗→零件外形开粗→粗铣零件内槽→粗铣零件外形→精铣腹板→精铣零件内形筋厚→精铣外形筋厚→加工反面→零件内槽开粗→零件外形开粗→粗铣零件内槽→粗铣零件外形→精铣腹板→精铣零件内形筋厚→精铣外形筋厚→卸零件外形→精修底边外形轮廓；

4.3模拟件的铣切工艺参数如下：

1)粗铣：

普通数控铣，铣刀转速n/min：2000～5000；进给速度mm/min：1000～2000；

铣切深度mm：1～6；

高速数控铣：

铣刀转速n/min：6000～15000；进给速度mm/min：3000～7000；铣切深度mm：1～5；或铣刀转速n/min：15000～20000；进给速度mm/min：7000～10000；铣切深度mm：1～5；

2)精铣：

普通数控铣，铣刀转速n/min：2000～5000；进给速度mm/min：1000～2000；铣切深度mm：1～6；

高速数控铣：

铣刀转速n/min：6000～15000；进给速度mm/min：960～7000；铣切深度mm：1～5；

或铣刀转速n/min：15000～20000；进给速度mm/min：2400～10000；铣切深度mm：1～5。