基于内部残余应力无损测定的多晶材料板框件精加工方法与流程

1.本发明涉及精密工件加工领域，特别是涉及一种基于内部残余应力无损测定的多晶材料板框件精加工方法。


背景技术：

2.随着现代制造业的发展，对航空、航天等精密加工领域中涉及到的工件性能要求不断提高，对工件的结构设计提出了更高的要求。例如为了减轻飞机重量，同时保证优良的空气动力学性能，已经淘汰了原有的铝合金板框件 蒙皮 螺栓连接的结构方式，新型整体式结构件在飞机装备中得到了更广泛的应用，而且整体壁板、大梁、隔框等整体式结构件也在逐步采用，金属及合金板框件的加工变形控制就成为制造加工的关键。
3.整体式结构件不是由零件简单组合而成，而是利用整体毛坯、板材加工而成。在板框件等弱刚度零部件整体加工时，由于板材残余应力、切削力、切削热等多种原因，易发生变形，造成加工废品率高，影响生产进度。其中，（预拉伸）铝板残余应力不当是造成包括铝合金板框件在内的零部件加工变形的主要原因之一。而且，由于板材不同部位的残余应力分布不同，采用不同的加工路径对加工变形的影响不同。现有技术中只能通过随机选择加工路径后测试实际变形量是否达标，不但试错成本高，而且废品率高。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于内部残余应力无损测定的多晶材料板框件精加工方法，解决现有多晶材料板框件加工中存在的变形超差难题。
5.为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案。
6.一种基于内部残余应力无损测定的多晶材料板框件精加工方法，包括以下步骤：1. 基于内部残余应力无损测定的多晶材料板框件精加工方法，其特征在于包括以下步骤：s1，采集数据：无损检测待加工金属板材内部不同部位的残余应力及其分布；s2，标识风险区：基于步骤s1采集的残余应力数据，标识出残余应力风险区；s3，设计加工包络面：基于产品工件设计图，在所述待加工金属板材上设计完整包络s2步骤所标识的每个风险区的加工包络面，将全部加工包络面切削后足以得到所述产品工件且任一所述加工包络面与其它所述风险区无交集；s4，按全部切削掉步骤s3所述加工包络面的不同切削顺序的排列，基于应力平衡原则（即∑f=0）和力矩平衡原则（即∑m=0），可以计算得到各种不同切削顺序所导致的变形量，以计算所得最小变形量的包络面切削顺序作为实际加工路径；s5，切削板材：按照步骤s4所确定的实际加工路径切削待加工金属板材上所有标识的风险区后，先在剩余板料上按照产品图粗加工切削产品工件（加工余量推荐为0.5mm～5mm），然后再按照产品图精加工切削产品，得到被加工的板框件，测量所得产品工件的实际变形量；
s6，评价：将s5步骤所测得的实际变形量与所述产品工件要求的合格公差要求对比，判定被加工产品是否合格。
7.优选地，风险区包括残余应力过大的高拉应力区域、过大的高压应力区域以及单位长度应力变化过大的高应力梯度区域。更优选地，所述风险区包括所述残余应力高于预设值（例如，对于预拉伸铝板而言，预设值为50mpa的拉应力）的高拉应力区域、高于预设值（例如，对于预拉伸铝板而言，预设值为50mpa的压应力）的高压应力区域以及单位长度应力变化大于预设值（例如，对于预拉伸铝板而言，预设值为40mpa/cm的应力梯度）的高应力梯度区域。通过应力分布特征识别出加工后可能带来变形风险的区域有助于更高效地得到接近最佳的加工路径，预设值可以根据待加工金属板材、产品工件的要求和现有技术中类似加工中应力的经验值确定，预设值越低，风险区相对更多，反之则更少。
8.优选地，在步骤s3中，所述设计的加工包络面为光滑曲面。
9.优选地，在步骤s3中，所述设计的加工包络面在厚度方向上贯穿板材。
10.特别优选地，可以通过计算每种排列的切削顺序加工后得到的剩余板材的理论变形量，并选取所计算出的最小理论变形量所对应的切削顺序作为实际加工路径，即先通过理论模拟计算得到理论上最佳的加工路径，进一步避免了盲目试错带来的高成本和废品率。
11.优选地，在尺寸合格判断标准上，按照如下原则进行：在步骤s6中，当步骤s5所测得的实际变形量小于等于所述产品的合格尺寸公差要求时，直接判定被加工产品合格，判定步骤s4确定的加工路径合格，并应用于同批次待加工金属板材的加工；在步骤s6中，当步骤s5所测得的实际变形量大于所述产品的合格尺寸公差要求时，或者当根据步骤s2标识的风险区，无法根据步骤s3得到满足要求的加工包络面时，均判定为不合格，并增加以下步骤：步骤s7，重新确定所述风险区并重复步骤s2-s5，再次判断是否合格。
12.优选地，重新确定风险区是通过减小高拉应力区域、高压应力区域和/或高应力梯度区域的预设值。
13.另外，当根据步骤s2标识的风险区，无法根据步骤s3得到满足要求的加工包络面时，增加以下步骤：步骤s7，重新确定所述风险区，也就是通过增大高拉应力区域、高压应力区域和/或高应力梯度区域的所述预设值，重新确定所述风险区，并重复步骤s2-s5，再次判断是否合格。
14.由于不同批次板材的性能不同，而产品工件的要求也不同，当根据本发明的方法已经得到一种满足需求的加工路径时，就可以认定合格并直接应用于同批次板材，并不一定需要找到实际上最佳的加工路径，有助于更快更高效地得到合格的加工产品，避免更高的试错成本。而对于未得到合格加工路径时，则可以通过向需要的方向调整预设值重复本发明的方法，直到找个合格加工路径为止；当重新确定风险区后仍然不合格且不能再减小或增加预设值的，则可以尽早确定该待加工金属板材不能加工出所要求的产品工件，以避免更多浪费原料导致不必要的高废品率。
15.更优选地，内部残余应力及其分布的无损测定方法选自短波长x射线衍射法、、高能同步辐射的硬x射线衍射法、中子衍射法、轮廓法、超声波法等。这些方法都可以无损检测
待测金属板材内部各个位置的残余应力及其分布。
16.进一步地，待加工金属板材可以为金属板材或其合金板材，如预拉伸铝合金板、钢板、铜板等。
17.与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：（1）本发明首先无损测定待加工板材的各个位置的残余应力及其分布，并基于应力平衡原则（即∑f=0）和力矩平衡原则（即∑m=0），确定并标识导致加工变形的风险区域，确定包络各风险区域的包络面（即加工包络面）；理论计算各种加工包络面顺序切削各风险区域后的剩余板料变形量，并按照剩余板料变形量的最小原则优选的切削加工顺序；利用优选的切削加工顺序加工得到剩余板料切削加工产品，测量产品的加工变形量，评定产品尺寸是否超差、是否合格，最大可能性地直接找到最优的加工路径，突破性地解决了现有技术中盲目地选择加工路径而导致高昂试错成本的关键难题。
18.（2）对于待加工板材基础不够好或者产品工件要求更高的情况，本发明可以更快地判断出不合格板材，极大减少了试错成本和原材料浪费，现有技术中甚至可能将该批次板材全部加工一遍才发现根本不可能加工出来。
19.（3）本发明开创性地采用测试 理论分析 实测加工变形量的结合，找到最佳的加工路径，按此方法加工出来的产品工件能够最大程度地保证最佳的实际产品性能，显著减少废品率和降低成本，保证和提高产品的尺寸精度，减少加工变形导致的飞行隐患等事故的发生。
20.（4）本发明的加工方法流程清晰，采用测试 理论分析 实测加工变形量的结合，且理论模拟部分可通过智能化程序完成，极大地降低人工、财力、时间等方面的成本。
21.（5）本发明的加工方法具有良好经济效益和社会效益。
附图说明
22.图1是本发明基于内部残余应力无损测定的多晶材料板框件精加工方法的流程示意图；图2是实施例1的l形板框件三维切削加工路径示意图；图3是实施例1的l形板框件剖面切削加工路径示意图；图4是实施例2的圆筒形板框件三维切削路径示意图；图5是实施例2的圆筒形板框件剖面切削路径示意图。
23.上述附图中的标识符号为：1、风险区；2、切削包络面路径；3、产品切削路径；4、切除风险区部分；5、产品零件切除部分；6、l形板框件；7、风险区a；8、风险区b；9、风险区c；10、切削包络面路径a；11、切削包络面路径b；12、切削包络面路径c；13、产品切削路径a；14、切除风险区a部分；15、切除风险区b部分；16、切除风险区c部分；17、圆筒形板框件。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明整体或其各个技术特征进行的修改、更换或者其他改进也落入本发明的保护范围内，其具体保护范围以权
利要求书的记载为准。
25.本发明中涉及到的板材内部残余应力及其分布的无损检测方法包括但不限于短波长x射线特征衍射法（参见文献郑林,车路长,张津,等.预拉伸厚铝板内部残余应力与晶粒取向均匀性的研究[j].精密成形工程,2014,6(5):9.、“郑林,张津,何长光,等.短波长x射线衍射无损测定铝板内部残余应力[j].精密成形工程,2011(2):6.”等）、高能同步辐射的硬x射线衍射法（参见文献gangulys,stelmukhv,edwardsl,etal.analysisofresidualstressinmetal-inert-gas-weldedal-2024usingneutronandsynchrotronx-raydiffraction[j].materialsscience&engineeringa,2008,491(1-2):248-257.等）、中子衍射法（参见文献robinsonjs,tannerda,trumance,etal.measurementandpredictionofmachininginducedredistributionofresidualstressinthealuminiumalloy7449[j].experimentalmechanics,2011,51(6):981-993.等）、轮廓法（参见文献liyn,zhangya,lixw,etal.residualstressanalysisinquenchedaluminumalloyplateusingthecontourmethod[c]//materialsscienceforum.2016.等）、超声波法（参见文献杨中玉,牛关梅,曹海龙,等.7050和7075铝合金板材的淬火残余应力[j].理化检验:物理分册,2019,55(01):9-14.）等，这些方法都是本领域技术人员所公知的，除本发明中所列出的参考文献外，也可以参照其它类似参考文献的记载进行，不影响本发明的实施。
[0026]
本发明中涉及到的待加工板材包括但不限于铝板、铝合金板、钢板等，用于航空、航天等精密加工领域所涉及的工件（参见文献余伟.基于残余应力的航空薄壁件加工变形分析[d].南京航空航天大学,2004.、陈鹏强,翟学智,刘明,等.大型异形铸造铝合金舱体精密加工技术研究[j].航天制造技术,2019(6):4.），这些待加工板材都是本领域可常规获取的成熟产品，精密工件及其公差要求等也是本领域技术人员所熟知的。除本发明中所列出的参考文献外，也可以参照其他类似参考文献的记载进行，不影响本发明的实施。
[0027]
根据不同加工路径，基于应力平衡原则（即∑f=0）和力矩平衡原则（即∑m=0），模拟计算剩余板料变形量的方法是本领域技术人员熟知的，参见“航空铝合金厚板初始残余应力及其对铣削变形影响的基础研究”等文献。
[0028]
所述的3个实施例均以加工铝合金板框件为例，同理，亦可用于其它金属板材、金属基复合材料板材、陶瓷板材等多晶材料板框件的精密加工。
[0029]
实施例1如图2、图3所示，本实施例使用的待加工金属板材是2024-t351预拉伸铝板，l形板框件要求的尺寸合格公差为
±
0.20mm，根据本发明的精加工方法按如下步骤进行：s1，采集数据：采用短波长特征x射线衍射法无损测得待加工预拉伸铝板料不同部位的残余应力及其分布（具体检测方法参见参考文献“短波长x射线衍射无损测定铝板内部残余应力”等）；s2，标识风险区：基于步骤s1采集的应力数据，分析板材内部残余应力分布特点，标识残余应力高于100mpa的高拉应力区域、高压应力区域以及应力梯度高于50mpa/mm的区域为风险区1；s3，设计加工包络面：在标识的所述风险区1周边部位，即在不包括所标识风险区1以外的待加工板材区域，并基于l形板框件设计图，设计完整包络s2步骤所标识风险区1的
加工包络面（在厚度方向上贯穿板材），加工包络面为圆柱面；s4，根据步骤s3设计的加工包络面，沿设计的切削包络面路径2模拟切削，所述风险区1与所述切削包络面路径2之间为切除风险区部分4，计算得到剩余板材的理论变形量，该理论计算是基于应力平衡原则（即∑f=0）和力矩平衡原则（即∑m=0），并参考“航空铝合金厚板初始残余应力及其对铣削变形影响的基础研究”记载的方法进行模拟计算；s4-1，基于s4步骤模拟计算，选取变形量最小的切削顺序作为实际加工路径；s5，切削板材：按照步骤s4所确定的实际加工路径切削待加工金属板材上所有标识的风险区1后，在剩余板料上先按照产品图粗切削产品（加工余量推荐为小于等于5mm），然后再按照产品切削路径3切削产品，切削产品零件切除部分5，测量切削后所得l形板框件6的实际变形量为
±
0.15mm；s6，评价：s5步骤所测得的l形板框件6实际加工变形量
±
0.15mm小于产品工件要求的尺寸合格公差
±
0.2mm，直接判定按照该加工路径加工该批预拉伸铝板板料就能得到合格产品工件。
[0030]
实施例2如图4、图5所示，本实施例使用的待加工金属板材是7050-t7451预拉伸铝板，圆筒形板框件要求的尺寸合格公差为
±
0.10mm，根据本发明的精加工方法按如下步骤进行：s1，采集数据：通过超声波法无损检测待加工金属板材不同部位的内部残余应力及其分布；s2，标识风险区：基于步骤s1采集的应力数据，分析板材内部残余应力分布特点，设定和标识残余应力高于预设值为70mpa的高拉应力区域、高压应力区域以及应力梯度预设值高于35mpa/mm的区域为风险区，本实施例中共有三个风险区，分别为风险区a6、风险区b7和风险区c8。
[0031]
s3，设计加工包络面：基于圆筒形板框件设计图，在待加工板材上设计分别完整包络s2步骤所述标识风险区a7、风险区b8和风险区c9的3个加工包络面（在厚度方向上贯穿板材），即在不包括所标识风险区以外的待加工板材区域，所述加工包络面均为圆柱面，将全部加工包络面切削后足以得到产品工件且这些包络面的外周面与所述风险区无任何交集；s4，根据步骤s3设计的加工包络面，沿设计的切削包络面路径a10、切削包络面路径b11、切削包络面路径c12分别模拟切削3个加工包络面，经排列共有6种切削顺序方式，基于应力平衡原则（即∑f=0）和力矩平衡原则（即∑m=0）计算得到6种切削顺序加工后的剩余板材的理论变形量，所述风险区a7与所述切削包络面路径a10之间为切除风险区a部分14、所述风险区b8与所述切削包络面路径b11之间为切除风险区b部分15、所述风险区c9与所述切削包络面路径c12之间为切除风险区c部分16；s4-1，基于s4步骤模拟计算的6种剩余板材理论变形量按照大小排序，选取模拟计算为最小变形量的切削顺序作为实际加工路径；s5，切削板材：按照步骤s4所确定的实际加工路径切削待加工金属板材上所有标识的风险区a7、风险区b8和风险区c9后，在剩余板料上先按照产品图粗切削产品（加工余量推荐为0.5mm），然后再按照产品切削路径a13切削圆筒形板框件，测量得到圆筒形板框件17的实际加工变形量为
±
0.13mm；s6，评价：s5步骤所测得的圆筒形板框件17实际加工变形量
±
0.13mm大于产品工
件要求的尺寸合格公差0.10mm，该圆筒形板框件17实际变形量大于所要求的公差，不合格；s7，重新确定风险区：减小高拉应力区域、高压应力区域的预设值为40mpa，高应力梯度区域的预设值为25mpa/mm，重新确定风险区，重复步骤s2-s6，再次得到圆筒形板框件的实际加工变形量为
±
0.09mm，其小于产品工件所要求的合格公差
±
0.10mm，判定按照该重新确定的加工路径加工该批预拉伸铝板板料就能得到合格产品工件。
[0032]
实施例3本实施例使用的待加工金属板材同实施例2，亦是7050-t7451预拉伸铝板，要加工的产品工件亦同实施例2，亦是圆筒形板框件，只是要求的尺寸合格公差为
±
0.01mm，根据本发明的精加工方法亦同实施例2，不同之处在于：（1）s1，采集数据：通过中子衍射法无损检测待加工金属板材不同部位的内部残余应力及其分布；（2）s7，重新确定风险区：再将高拉应力区域、高压应力区域的预设值减小为25mpa，高应力梯度区域的预设值减小为15mpa/mm后，重新确定的风险区及其重新设计的各风险区的加工包络面涵盖区域太大，在该待加工的金属板材无法切削得到圆筒形板框件，因此，判定所述待加工金属板材不能加工出尺寸合格公差为0.01mm的所述产品工件，只有具备需要拉、压残余应力更小的预拉伸铝板，才能切削加工得到尺寸公差为
±
0.01mm的圆筒形板框件。