Nella lavorazione CNC di precisione delle parti aerospaziali, la deformazione causata dallo stress residuo è la difficoltà principale per controllare la precisione dimensionale L'esperimento ha dimostrato che la sollecitazione residua generata dalla sovrapposizione della deformazione termica e plastica può produrre una deformazione della deformazione della parete sottile delle parti in lega di alluminio di 0,02 - 0,05 mm dopo lo scarico, molto più elevata rispetto ai requisiti di tolleranza convenzionali. Questo articolo si baserà su dati misurati a tre coordinate confrontati con la simulazione ad elementi finiti per risolvere l'effetto della sollecitazione residua sulla deformazione delle parti strutturali dell 'aviazione e fornire un programma di ottimizzazione dei parametri di processo per aiutare gli ingegneri a evitare il rischio di deriva dimensionale nella produzione in serie.
Le principali fonti di stress residuo nella lavorazione CNC di parti aerospaziali e parametri di riferimento sperimentali
Le parti strutturali aeronautiche utilizzano principalmente alluminio ad alta resistenza come 7050-T7451, 7055-T7351, il suo modulo elastico è basso e alta sensibilità al taglio termico, è l'alta temperatura del problema delle sollecitazioni residue delle parti di prova ad anello 7050-T7451 con diametro di 80 mm x spessore di 6 mm, la velocità di fresatura CNC su 3 assi al centro di lavorazione, il mandrino 8000 giri, la velocità di avanzamento di 300 mm/min, l'uso di fresatura in metallo duro.(Diametro 6 mm, rivestito con TiAlN) Misurazione immediata della planarità di base al termine della lavorazione, seguita da una permanenza di 72 ore a temperatura ambiente per ripetere la stessa serie di dati.
La produzione di stress residuo deriva principalmente da tre processi fisici: deformazione plastica del materiale causata dalla forza di taglio, distribuzione del gradiente di calore causato dal calore di taglio e indurimento della lavorazione superficiale nel processo di separazione del contatto con lo strumento (XRD) per rilevare lo stress residuo sulla superficie di lavorazione e alla profondità di 0,5 mm sotto la superficie è stato scoperto che la tensione di compressione sulla superficie esiste circa-80 MPa, e la superficie secondaria è distribuita circa +40 MPa, questo gradiente di stress è la forza trainante della successiva deformazione.
Quantificazione dell 'effetto dello stress residuo sulla deformazione delle parti dell' aeromobile
I dati sperimentali mostrano che la deformazione causata dallo stress residuo aumenta in modo non lineare con la profondità di taglio quando la fresatura supera la profondità di 0,5 mm e la tabella seguente confronta la deformazione misurata con i diversi parametri di processo con le previsioni della simulazione degli elementi finiti:
| Profondità (mm) | Test di deformazione | Previsioni Finite Valore | Tasso di deviazione |
|---|---|---|---|
| 0.3 | 0.012 | 0.011 | Il 9,1% |
| 0.8 | 0.035 | 0.031 | 12,9% di |
| 1.5 | 0.048 | 0.044 | Il 9,1% |
Il controllo del tasso di distorsione misurato e analogico inferiore al 13%, ha confermato l'applicabilità ingegneristica del modello di deformazione della sollecitazione residua aumentando la deformazione del 300% con una profondità di taglio da 0,3 mm a 1,5 mm, indicando che la lavorazione delle pareti sottili deve controllare rigorosamente l'angolo di profondità per evitare l'accumulo di stress concentrato.
Conclusioni sperimentali sul percorso di elaborazione e sul controllo delle sollecitazioni residue
L'esperimento ha confrontato quattro schemi di carico: zavorra piatta, laminati simmetrici a doppia faccia, adsorbimento a vuoto, rivestimento flessibile dello strumento ha mostrato che la brocca pesante simmetrica dual-lato.(Distribuzione uniforme della pressione, controllo della forza pre-stretto a 8 - 12N) può ridurre la deformazione del 42%, mentre la piegatura unilaterale a causa del rilascio di stress asimmetrico, deformazione fino a 0,052 mm nel percorso di lavorazione, l'uso di "prima sgrossatura, fresatura" strategia di controllo sequenziale, la finitura della lama sulla strada finale e non attraverso la superficie lavorata, può ridurre la deformazione indotta da stress termico di circa il 28%.
Inoltre, la compensazione della polarizzazione dell 'utensile è fondamentale per il controllo della deformazione e gli esperimenti hanno rilevato che circa il 35% della deviazione dimensionale finale per gli utensili non compensati (coefficiente di allungamento termico del cuscinetto a classe H6 di 11,5 × 10…/° C) proviene dalla deriva termica del mandrino, che consiglia di eseguire un ciclo di meccanica (80% di corsa in aria per 15 minuti) prima della lavorazione e scrivere il valore di compensazione dell' allungamento termico dell 'utensile nei parametri della macchina.
Convalida sperimentale del trattamento post-trattamento per il rilascio di stress residuo
Per verificare l'effetto del rilascio di stress residuo sul tempo di breve durata dopo la lavorazione della macchina (ST, 150 ° C x 4 h), lo stesso lotto è stato diviso in due gruppi: una serie di misurazioni dirette e l'altra serie di misure post-trattamento XRD ha mostrato che la pressione di compressione superficiale dopo il tempo è diminuita da-80MPa-25MPa e la tensione di trazione è scesa da +40MPa +15mm, con una riduzione del 62,5%.
Tuttavia, dovrebbe essere notato che il trattamento invecchiamento ridurrà la resistenza del materiale di circa il 5 - 8%(resistenza alla trazione da 570 MPa a a circa 530 MPa), per le strutture di carico sensibili alla resistenza, è necessario bilanciare la stabilità dimensionale e le proprietà meccaniche dell 'alternativa per l'introduzione di un processo di "de-stress ricottura"(200 ° C x 2 h), l'impatto sulla resistenza è inferiore al 2%, ma il tasso di rilascio è solo circa il 40%, adatto per scenari in cui la precisione dimensionale è richiesta molto elevata e la priorità alla resistenza.
Confronto tra sensibilità alla pressione residua di diverse qualità di alluminio
Oltre al 7050, le qualità 6082-T651 e 2024-T4 sono state testate come alluminio deformato con un valore assoluto inferiore per la sollecitazione residua.(Circa-45MPa in superficie), la deformazione inferiore alla profondità equivalente di circa il 30% inferiore a 7050, ma più sensibile al calore di taglio, la deformazione termica rappresentava una percentuale più elevata in 2024 a causa dell 'alto contenuto di rame (3,8 - 4,9%), il calore di taglio e il rilascio di stress è grande e veloce, dopo 24 ore di lavorazione, la deformazione è fondamentalmente stabile, adatta per pezzi aerospaziali non portanti di emergenza.
La scelta del materiale deve essere il compromesso completo: selezione della scena ad alta resistenza 7050/7055 e supporto del processo di invecchiamento, selezione della struttura generale 6082 e ottimizzazione della strategia di montaggio, consegna rapida dei componenti non critici possono essere considerati per accorciare la catena di processo nel 2024.
Aspetti pratici della gestione delle sollecitazioni residue per la produzione di massa
- Parametri di processo chiusiProfondità di taglio per sgrossatura ≤ 0.8mm, velocità di rotazione 8000 - 10000 rpm, avanzamento 0.05 - 0.1mm/dente; profondità di taglio di finitura ≤ 0.15mm, velocità di rotazione 12000 rpm, avanzamento 0.02mm/dente, l'uso completo di liquido di raffreddamento (concentrazione 5 - 8%)
- Montare il siparioParti a parete sottile (spessore parete/diametro <0,08) devono essere realizzate con laminato bifacciale simmetrico o strumenti flessibili, la forza di serraggio è impostata al 5 - 10% della resistenza di snervamento del materiale
- Standardizzazione dell 'ordine3. grezze-semiseliche-fine controllo, per ogni ordine di rilascio interasse tensione di carico (laminato pinoso → statico 30 min → risimmetria clip)
- Verificare il davanti: il primo pezzo e ogni 20 pezzi di campionamento di tre coordinate di full size, concentrarsi sulla planarità, il parallelismo; utilizzare un sollecitore per ogni lotto di 3 cose casuali per eseguire il campionamento di stress superficiale
- Impianto per processo istantaneoGli oggetti sensibili alla deformazione vengono impiantati dopo la finitura con ST per il rilevamento delle dimensioni finali entro 12 h per evitare un secondo ciclo termico
Modalità di guasto della pressione residua comune e programma di evasione
- Warp si trasforma.: più comune nell 'anello a parete sottile, evita la simmetria di montaggio + controllo di taglio profondo e, se necessario, aggiunge un perno di posizionamento
- Drift di dimensione48 h dopo la lavorazione, le dimensioni continuano a cambiare, evitare il trattamento di invecchiamento o de-stress ricottura, rilevare lo spostamento posteriore della finestra
- Stanchezza che si spezza: le zone di tensione pulite superficiali sono inclini a rompersi sotto carico alternato, per evitare l'introduzione di stress di pressione con rinforzo di pallinatura fine, o per perfezionare lo strato di stress
FAQ: Problemi ad alta frequenza correlati allo stress residuo di parti aerospaziali
Come stabilizzare rapidamente le sollecitazioni residue dopo la lavorazione CNC delle leghe di alluminio per aviazione?
A parete sottile 7050/7055 pezzi ST consigliato (150 ° C x 4 h), tasso di rilascio superiore al 60%; per le parti di carico sensibili alla resistenza, l'aderenza è opzionalmente 200 ° C x 2h de-stress ricottura, resistenza perdita di controllo entro il 2% e deformazione tasso di rilascio di circa il 40%.
La relazione tra profondità e deformazione è lineare?
I dati sperimentali non lineari mostrano una profondità di taglio di 0,3 mm → 1,5 mm quando la deformazione è aumentata da 0,012 mm a 0,048 mm (un aumento del 300%), più profondo il gradiente di stress è maggiore, la crescita della deformazione è accelerata e l'effetto della parete spessa (profondità di taglio> 3 mm) è relativamente piccolo.
Qual è la differenza tra fresatura e avvitamento per i componenti dell 'aria?
Forza di taglio verso il basso, pressione del pezzo verso la macchina utensile, l'ingresso termico è leggermente inferiore, la pressione di compressione superficiale è leggermente maggiore; forza di taglio inversa verso l'alto, il pezzo ha una tendenza dal letto, l'ingresso termico è leggermente più alto, l'impatto della differenza di deformazione è inferiore alla modalità di montaggio quando profonda ≤ 0.5mm.
Come si fa a controllare la coerenza dei risultati nella produzione?
Il nucleo è costante nella forza di montaggio (forza di serraggio della chiave della coppia), la calibrazione regolare della compensazione dello strumento (correzione per l'allungamento termico di 100 ore), verifica l'uniformità del campo del forno del tempo (metodo di corpo nero ± 3 ° C), i tre in un lotto di controllo della fluttuazione di ± 10% può garantire la coerenza della deformazione.
Qual è la differenza tra 7050 e 7055 nel comportamento da stress residuo?
Contenuto di zinco 7055 è più alto (6,4 - 7,2% vs 7050 di 5,6 - 6,4%), il rinforzo di solubilità è più forte, il valore assoluto della pressione residua superficiale è leggermente più alto nelle stesse condizioni di taglio (circa il 15% in più), la deformazione è un po 'più grande, i requisiti per il montaggio e il controllo di profondità sono più severi; entrambi finestra di tempo è vicino, i parametri ST sono comuni.
Conclusioni
La deformazione della sollecitazione residua nella lavorazione CNC delle parti aeronautiche è un problema ingegneristico prevedibile e controllabile, la chiave è l'impianto sistematico di controllo di taglio profondo, morsetti simmetrici, controllo sequenziale standardizzato e processo di invecchiamento nel flusso di produzione sulla base dei dati sperimentali di questo documento, sotto i parametri di processo ragionevoli, la deformazione delle pareti sottili 7050 pezzi può essere controllata entro 0,02 mm, per soddisfare la maggior parte dei requisiti di tolleranza delle strutture aeronautiche. Se è necessario eseguire una valutazione dell 'impatto delle sollecitazioni residue e un piano di processo personalizzato per parti specifiche, è possibile inviare disegni e specifiche tecniche per ottenere raccomandazioni e offerte di processo mirate.
