1、引言

鋯合金薄板零件主要應用于核反應堆部件或航天器結構,對加工精度有嚴格要求,但由于薄壁結構特性,加工過程中極易受殘余應力影響產生變形，從而影響尺寸精度和服役性能。因此，研究殘余應力對鋯合金薄板加工變形的影響及控制方法對于滿足實際工程需求具有重要意義[1]。根據形成機理，引起鋯合金薄壁件加工變形的殘余應力可分為初始殘余應力和加工誘發殘余應力。

鋯合金薄板零件整體變形的影響因素非常復雜[3],在零件加工前,毛坯經軋制、退火后,內部殘余應力處于平衡狀態。在銑削加工過程中，零件表層材料被去除[4-5],導致初始殘余應力釋放,零件整體變形較大。GaoH.等[6]研究了初始殘余應力和等效彎曲剛度對薄壁件變形的影響。ZhengJ.Y.等研究了初始殘余應力和刀具軌跡策略對薄壁鋁件變形的影響。LiX.等[8]分析了初始殘余應力與精加工余量之間的關系，建立了薄壁件的變形預測模型。同時，銑削過程中發生的不均勻的塑性變形與溫度變化會引入新的殘余應力，即銑削殘余應力。ZhangZ.等利用新的加工殘余應力計算方法建立了薄壁件的變形預測模型。LiY.等[10]將加工殘余應力作為等效扭矩，研究了加工殘余應力對薄壁板變形的影響。ZhouJ.等用雙曲正切函數表示端銑加工殘余應力分布，建立了薄板殘余應力剖面與彎曲撓度的映射關系。

兩種殘余應力的共同作用使零件在加工過程中的整體變形難以準確預測，導致零件的加工精度降低，影響裝配甚至產生不合格品，增加制造成本。零件加工完成后，經一段時間的時效，內部殘余應力緩慢釋放引起新的變形，降低零件的精度保持性，影響產品的使用性能。

綜上所述，本文以鋯合金[12]為研究對象，考慮鋯合金薄壁零件初始應力及變形狀態，開展銑削加工試驗，通過采集銑削過程中的相關數據，獲取不同參數下的鋯合金薄壁件銑削表面殘余應力和零件變形數據并對結果進行分析，在考慮鋯合金薄壁件初始狀態的條件下獲得面向最小加工變形的最優的工藝參數組合。

2、試驗方案設計

2.1原材料及裝夾方案

原材料選用9塊尺寸為195mm×57.8mm×4.5mm的鋯合金板材。試驗夾具主要包括底板夾具和固定夾具，底板夾具要求在夾緊狀態下測量殘余應力，因此需要設計能和零件從測力計一同被拆卸下來的底板夾具。固定夾具將零件固定在底板夾具上，且加工時不與刀具發生干涉,測量應力時不與探頭發生干涉。兩個孔用于螺栓連接，槽用于壓住零件以及在夾具發生變形后將零件扣住，夾具總厚度為6mm，中間槽深為2mm。

2.2加工方案設計

為了解各因素及其相互作用對薄板殘余應力及變形分布的影響，設計9組三因素三水平正交試驗。所有鋯合金薄板試品在加工前均通過退火和時效處理，使其應力狀態趨于一致，從而避免因初始應力不均而引入的誤差。涉及到的工藝參數主要有主軸轉速、前傾角、側傾角、每齒進給量、切削深度和路徑間距等。其中，主軸轉速為主軸每分鐘旋轉的轉數，前傾角為刀具在XOZ平面上與Z軸的夾角，側傾角為刀具在YOZ平面上與Z軸的夾角，每齒進給量為多齒銑刀每旋轉一個齒間角時銑刀相對工件在進給方向上的位移，切削深度為切削工件時已加工表面與待加工表面之間的垂直距離，路徑間距為每條路徑之間相隔的距離。本試驗中，工藝參數變量為主軸轉速、前傾角和側傾角，保持切削深度為2mm、每齒進給量為0.09mm/z、切削寬度為0.3mm。為了避免刀具姿態導致加工干涉，選擇高度較小的固定螺栓進行固定。采用直徑為10mm的球刀進行切削加工，在DMU60MonoBlock五軸加工中心上進行試驗，加工時施加冷卻液。基于工程經驗，選擇五軸銑削加工中心對殘余應力有顯著影響的刀具姿態和主軸轉速作為輸入變量，保持其他工藝參數不變，具體工藝參數如表1所示。

表1加工試驗參數

2.3信號測量方案

加工前在裝夾狀態下測量零件的初始應力,測量設備采用PROTOXRD應力儀。加工過程中采用測力計測量加工過程中的力信號，采用紅外熱像儀測量溫度信號，采用麥克風測量噪音信號,采用功率表測量功率信號。加工后立即測量夾緊狀態下零件加工區域的殘余應力,測完應力之后松開裝夾，在Leitzpmm-C三坐標測量機上測量零件在Z方向的變形,為保證測量數據的時間一致性，應力與變形保證在一周內完成測量。加工完成后，對加工薄壁件進行時效處理，即放置于室溫保存箱內保存30天，隨后對薄壁件加工區域的應力和變形再次進行測量。針對應力測量區域與測量點，考慮過渡區域寬度、固定夾具寬度及應力儀器測量干涉區域，設置中間區域長度為120mm,寬度為44mm,長度方向測量7個點,點間距為20mm，寬度方向測量5個點，點間距為11mm，每塊零件測量35個點的應力數據。

3、鋯合金薄壁件加工變形規律

基于設計的加工參數,分析不同工藝參數條件下的9組薄壁件變形情況。對薄壁件平面試驗點數據進行處理,以矩形薄壁件四角的測量點數據為基準點建立基準面。在平面位置內任意點處(由X和Y坐標位置決定),薄壁件平面試驗數據點與基準面的相對高度差即為薄壁件的加工變形值,依次對9組試驗進行分析,加工前、加工后和時效后的最大、平均變形值匯總結果如表2所示。

對各種加工參數組合下的試驗結果進行主效應分析。加工后和時效后的薄壁件最大變形和平均變形隨工藝參數變化的趨勢基本相同，且隨著轉速、前傾角和側傾角的增大而單調遞減。側傾角對薄壁件加工變形最大值和均值的影響最大，側傾角從0°增大至20°的過程中，變形最大值從0.108mm減小至0.041mm,均值從0.053mm減小至0.013mm。時效后的薄壁件變形最大值受轉速影響最大，轉速從4000r/min增大至6000r/min的過程中，變形最大值從0.099mm減小至0.054mm,均值受側傾角影響最大,側傾角從0°增大至20°的過程中,變形均值從0.048mm減小至0.018mm。

對試驗參數1條件下的薄壁件變形情況進行分析。加工前零件表面沿著寬度方向發生傾斜,這是由于獲取基準平面的過程中,薄壁件四周的點并不處于同一水平面內，造成基準平面的傾斜，進而影響相對高度差的計算。加工完成后薄壁件沿著Z軸正方向發生較大的變形,薄壁件的加工變形主要表現在薄壁件長度方向(薄壁件長度方向幾何尺寸較大)，寬度方向產生的變形量較小。時效后薄壁件的變形相比于加工后的變形有所減小，由試驗結果可以觀察到沿薄壁件寬度方向的凸起變形有所下降。

表2加工參數及變形結果

對試驗參數2條件下的薄壁件變形情況進行分析。加工前薄壁件沿著Z軸正方向產生凸起變形，加工后薄壁件沿著Z軸正方向發生的凸起變形下降0.018mm。薄壁件加工變形主要由長度方向的凸起變形決定，但寬度方向產生了較小的凹陷變形，導致薄壁件呈現出馬鞍面的變形狀態。時效后薄壁件變形幾乎與加工后變形相同，依然呈現馬鞍面的變形狀態。

對試驗參數3條件下的薄壁件變形情況進行分析。加工前薄壁件沿著Z軸正方向產生凸起變形，加工后薄壁件沿著Z軸正方向的凸起變形顯著減小，但是薄壁件寬度方向的凹變形顯著增加，導致薄壁件呈現出更加顯著的馬鞍面變形。除此之外，薄壁件四周的幾何尺寸點明顯不處于相同的平面內，這表示薄壁件沿著長度方向發生了一定的扭曲變形。時效后薄壁件變形相比于加工后的增大0.017mm,馬鞍面變形情況有所緩解,但在靠近薄壁件寬邊附近依然存在較大的變形。

對試驗參數4條件下的薄壁件變形情況進行分析。加工前零件初始變形較小，沿著Z軸負方向產生凹陷變形，但沿著薄壁件寬度方向存在一定的凸起變形，導致薄壁件邊緣處翹起。加工后薄壁件沿著Z軸正方向發生較大的變形，薄壁件由凹陷變形變為凸起變形，且呈現出馬鞍面的變化形式。時效后薄壁件變形相比于加工后的有細微增大，增量為0.006mm，證明自然時效處理并未減小薄壁件加工產生的變形。薄壁件沿著寬度方向的凹陷變形減小，馬鞍面變形平緩。

對試驗參數5條件下的薄壁件變形情況進行分析。加工前零件的整體加工變形較小，但是在薄壁件長邊和寬邊交匯處發生了較大的翹折。相比于加工前，加工后薄壁件沿著Z軸正方向發生較大的變形，增量為0.025mm，薄壁件呈現出馬鞍面的變形形式。時效后薄壁件的變形相比于加工后的增大0.011mm,雖然薄壁件整體變形增大,但其馬鞍面變形成都相比時效前的有所平緩。

對試驗參數6條件下的薄壁件變形情況進行分析。加工前薄壁件沿著Z軸正方向發生凸起變形,由曲面的兩條寬邊對稱的傾斜情況可以推測出薄壁件在初始狀態下沿著長邊方向存在一定的扭轉變形;加工后薄壁件沿著Z軸正方向的變形量增大0.014mm,薄壁件的扭轉變形情況相較于加工前的更加顯著。時效后薄壁件變形相比于加工后的減小了0.014mm,并且恢復至加工前水平,但薄壁件呈現出較明顯的馬鞍面變形。

對試驗參數7條件下的薄壁件變形情況進行分析。加工前零件變形較小，主要沿Z軸負方向發生凹陷變形，且沿著薄壁件寬度方向出現褶皺。相比于加工前，加工后薄壁件加工變形增大了0.02mm,零件沿著Z軸正方向發生凸起變形,薄壁件呈現出馬鞍面的變形特點。時效后薄壁件的變形相比于加工后進一步增大，增量為0.024mm，薄壁件依然呈現出馬鞍面變形的特點。

對試驗參數8條件下的薄壁件變形情況進行分析。加工前零件沿著Z軸正方向產生凸起變形。加工后薄壁件沿著Z軸正方向變形量有所增大，增量為0.007mm，薄壁件呈現出馬鞍面變形特點，然而馬鞍面主要表現在薄壁件中央位置。時效后薄壁件的變形保持在加工后的水平，且馬鞍面變形由僅出現在薄壁件中央位置變為沿著薄壁件加工面整體分布。

對試驗參數9條件下的薄壁件變形情況進行分析。加工前零件沿著Z軸正方向發生凸起變形,且由曲面寬度方向的邊界區域可知,薄壁件同時存在一定的扭轉變形。加工后薄壁件沿著Z軸正方向變形量有所減小，減小量為0.015mm。對曲面特定結果分析發現，曲面頂部區域曲率較小，這表明薄壁件加工變形量的減小主要由薄壁件中央部位變形的減小而導致。時效后薄壁件的變形相比于加工后的有細微增大，薄壁件由加工后僅沿著Z軸正方向發生凸起變形變為馬鞍面變形特點。

進一步分析上述試驗結果可知:(1)加工前薄壁件的變形主要表現為沿Z軸正方向的凸起或負方向的凹陷變形,并伴隨一定程度的長度方向扭轉變形及寬度方向的翹曲。不同試驗參數下,加工前的最大變形范圍為0.011~0.074mm,平均變形范圍為0.004~0.033mm,初始狀態對基準面建立及后續變形測量有顯著影響;(2)薄壁件加工完成后沿Z軸正方向的變形顯著增大，呈現出由凹陷變形向凸起變形的過渡。變形的主導方向為長度方向，寬度方向的變形量較小但形成馬鞍面特征。加工完成后零件的最大變形范圍為0.033~0.196mm,平均變形范圍為0.009~0.104mm。長邊和寬邊交匯處以及邊緣區域的變形尤為顯著，顯示幾何結構和材料分布對加工變形的敏感性;(3)自然時效處理后，薄壁件的變形量變化呈現兩種趨勢。部分試驗條件下，時效處理減小了加工后Z軸正方向的變形量,尤其是扭轉變形和寬度方向的凹陷變形得到一定緩解，另一些條件下，時效處理增大了變形量，但變形分布趨于平緩。整體上，時效后的最大變形范圍為0.047~0.183mm,平均變形范圍為0.013~0.095mm,表明自然時效對加工變形的平衡作用有限;(4)加工完成及時效后，馬鞍面變形成為薄壁件變形的典型特征，其形成主要與材料去除過程中內應力的釋放及零件結構特點有關。

4、初始應力釋放對鋯合金薄壁件加工變形的影響規律

綜合比較9組薄壁件應力釋放對變形的影響情況,可得到以下結果:1號薄壁件加工前一加工后一時效后的最大變形量呈現出先增大后減小的變化趨勢,Y方向應力極差和Y方向最大應力與該最大變形變化趨勢相同;2號薄壁件加工前一加工后一時效后的最大變形量呈現出減小的變化趨勢，Y方向應力極差、Y方向最大應力、Y方向應力方差、Y方向應力均值和X方向應力方差與該最大變形變化趨勢相同;4號薄壁件加工前一加工后一時效后的最大變形量呈現出增大的變化趨勢,X方向應力均值和X方向最小應力與該最大變形變化趨勢相同;5號薄壁件加工前一加工后一時效后的最大變形量呈現出增大的變化趨勢，Y方向應力均值、Y方向最小應力和X方向最小應力與該最大變形變化趨勢相同;7號薄壁件加工前一加工后一時效后的最大變形量呈現出增大的變化趨勢,Y方向最小應力與該最大變形變化趨勢相同;8號薄壁件加工前一加工后一時效后的最大變形量呈現出增大的變化趨勢,Y方向應力均值、Y方向最小應力、X方向應力方差和X方向應力均值與該最大變形變化趨勢相同。

薄壁件的最大變形量在加工前、加工后和時效后呈現不同變化趨勢，具體變化與應力分布特征密切相關，如應力極差、最大應力和應力方差等。多數薄壁件的最大變形趨勢與Y方向應力特征(如極差、最大應力、最小應力、均值和方差)的變化一致，表明Y方向應力是影響薄壁件變形的主要因素。

基于試驗工藝參數對薄壁件變形和殘余應力的影響分析可得:(1)工藝參數顯著影響加工變形特性。初始變形較小的條件(如參數4和5)易控制變形幅度，但馬鞍面特征仍存在;初始凸起或扭轉較大的條件(如參數3和6)加工變形顯著，需優化參數以降低變形;(2)隨著主軸轉速增大，加工后及時效后最大變形量均減小;前傾角增大時,加工變形量先減小后保持不變，時效變形量先減小后增大;側傾角增大,加工變形量減小,時效變形量先減小后增大;(3)采用主軸轉速為5000~6000r/min、前傾角為10°或側傾角為20°的參數時，應力與變形關聯明顯。最小變形對應最佳組合為主軸轉速6000r/min、前傾角20°和側傾角10°;(4)側傾角為0°時易獲得較小的應力均值;主軸轉速為5000r/min、前傾角為20°或側傾角為20°時易獲得較小的應力極差;(5)時效后不同參數下的應力表現不同。如主軸轉速為4000r/min、前傾角為0°、側傾角為0°時，X方向壓應力較大;主軸轉速為6000r/min、前傾角為20°、側傾角為0°時，Y方向壓應力較大。

5、結論

通過處理銑削加工前、銑削加工后以及自然時效后的薄壁件銑削表面殘余應力以及薄壁件加工變形數據,分析初始應力分布以及薄壁件加工變形的變化規律,探究鋯合金薄壁件初始應力釋放對變形的影響規律,得到以下結論。

(1)薄壁件加工完成后變形量顯著增大,主要表現為沿Z軸正方向的凸起和長度方向的馬鞍面特征,寬度方向變形較小但顯著影響整體形態。證明了加工變形受材料內應力釋放和零件幾何特性的影響顯著。

(2)不同工藝參數對變形特性影響顯著,初始狀態變形較小的條件更有利于控制加工變形，而較大初始凸起或扭轉變形的條件易導致更嚴重的變形。這為通過優化工藝參數有效調控薄壁件的變形幅度和形態提供了可能。

(3)薄壁件的最大變形量在加工前、加工后和時效后呈現不同變化趨勢，具體變化與應力分布特征密切相關，如應力極差、最大應力和應力方差等。多數薄壁件的最大變形趨勢與Y方向應力特征(如極差、最大應力、最小應力、均值和方差)的變化一致，表明Y方向應力是影響薄壁件變形的主要因素。

(4)工藝參數顯著影響薄壁件的變形和殘余應力特性，其中主軸轉速為6000r/min、前傾角為20°、側傾角為10°為最優組合，可顯著減小加工后和時效后的變形，同時側傾角為0°有助于獲得較小的應力均值,而特定條件下(如主軸轉速為4000r/min或6000r/min),X或Y方向壓應力表現突出。

(5)為實現鋯合金薄壁件高精度加工，五軸銑削需具備精密運動控制與動態穩定性，但薄壁件加工精度仍受多維耦合效應制約:材料低導熱性與弱剛性薄壁結構的交互作用，導致熱一力耦合場下局部非均勻變形累積;五軸聯動中刀具姿態動態調整引發切削力矢量方向突變，造成輪廓跟蹤誤差非線性增長;工藝參數與材料各向異性、動態切削顫振間的協同匹配機制尚未明晰，限制薄壁件形位公差與表面完整性同步優化。

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第一作者：張超，助理研究員，中國核動力研究設計院核燃料及材料研究所，610200 成都市

First Author： Zhang Chao， Assistant Researcher， Nuclear Fuel&Material Sub-Institute， Nuclear Power Institute of China， Chengdu 610200， China

（注，原文標題：銑削殘余應力對鋯合金薄板零件時效變形的影響規律研究）