测试残余应力的层削法在7140铝合金厚板上的应用.pdf

轻合金加工技术Vol51,No6LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGYD0I:10.13979/j.1007-7235.2023.06.009测试残余应力的层削法在7 140 铝合金厚板上的应用王军强,张宗权，曹海龙，黄东男,刘成（1.中铝材料应用研究院有限公司，北京10 2 2 0 0；2.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆40 13 2 6）摘要：为满足轻量化和整体结构强度要求，航空航天结构件广泛采用大规格铝合金结构件。大规格铝合金结构件多采用铝合金厚板机加工而成，材料去除率可达8 0%以上。残余应力在板材厚度上的不均匀分布会引起加工变形等一系列问题。本研究采用层削法逐层去除材料，残余应力失去平衡，引起板材弯曲变形。基于应力释放产生的挠度增量、未切削部位刚度及弹性模量与残余应力的关系，获得相应层削深度的残余应力。采用该方法开展7 140 铝合金厚板全厚度残余应力的测试，并通过X射线法测试技术对表面残余应力进行测试校核，通过切缝翘曲法进行内部残余应力测试校核。测试结果表明，层削法残余应力测试方法能够有效表征7 140 铝合金厚板内部的残余应力。关键词：7 140 铝合金厚板；层削法；挠度；残余应力中图分类号：TG386.1文献标识码：A文章编号：10 0 7-7 2 3 5(2 0 2 3)0 6-0 0 57-0 5Application of layer removal method to measure residual stresson 7140 aluminum alloy plateWANG Junqiang,ZHANG Zongquan,CAO Hailong,HUANG Dongnan,LIU Cheng(1.Chinalco Materials Application Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 102200,China;2.Southwest Aluminum(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 401326,China)Abstract:Large-scale structural parts are widely used in order to meet the lightweight andoverall structural strength of aerospace structures.Large-scale aluminum alloy structuralparts are mostly machined from aluminum alloy plates,and the material removal rate canreach more than 80%.The uneven distribution of residual stress in the thickness of theplates will cause a series of problems such as machining deformation.In this study,the alloyplate was removed layer by layer by layer removal method,and then the residual stress lostbalance,the bending deformation of the plate was caused.Based on the deflection incrementcaused by stress release,the relationship between the stiffness and elastic modulus of the un-cut part and the residual stress,the residual stress of the corresponding delamination depthwas obtained.The full-thickness residual stress of 7140 aluminum alloy plate was tested bythis method,and the surface residual stress was checked by X-ray method,and the internalresidual stress was checked by slit warping method.The test results show that the internal re-sidual stress of plate can be effectively characterized by the layer removal method.Key words:7140 aluminum alloy plate;layer removal method;deflection;residual stress收稿日期：2 0 2 3-0 6-15第一作者简介：王军强（19 8 7 一），男，河北石家庄人，高级工程师。轻合金加工技术20P23,Vol51No6LIGHTALLOY FABRICATION TECHNOLOGY58残余应力是引起零部件机加工变形、降低服役安全性的主要原因。目前X射线法、盲孔法、超声法等残余应力检测方法主要检测表面残余应力。而对于航空铝合金厚板等材料，淬火过程中表面与心部的冷却速度差异引起很大的残余应力 2 ，表面往往呈现压应力状态，心部呈现拉应力状态，残余应力从表面到心部逐渐过渡，机加工去除材料过程会打破残余应力在厚度上的力学平衡，材料表面与内部的残余应力的不均匀分布成为结构件加工翘曲的最主要原因。目前材料内部残余应力测试方法常见的有中子衍射法、层削法、增量钻孔法、裂纹柔度法、切缝翘曲法等。中子衍射法可以无损测试材料内部残余应力，然而需要借助大型测试装备，并且需要制备无应力标样 3 。层削法通过逐层铣削材料表面，然后通过千分表采集每层残余应力释放产生的挠度值，进而计算获得残余应力在厚度上的分布。增量钻孔法测量工件内部残余应力时误差较大，该方法更适用于测量表面残余应力 4。裂纹柔度法采用电火花线切割方法，垂直材料表面切割缝隙释放残余应力，采用应变片采集板材底部应变量，然后通过仿真模拟技术获得裂纹柔度函数，进而计算获得残余应力在厚度上的分布；裂纹柔度函数的获取需要通过不同阶数的勒让德多项式进行模拟分析，应力分布受到多次模拟误差的影响。切缝翘曲法测试技术采用电火花线切割等方法垂直板材表面向心部切割一条窄缝释放应力，采集试样端部翘曲变形，基于板材应力释放产生的翘曲增量和材料刚度理论模型，获得板材从表面到心部残余应力分布 8-9 。本研究采用层削法对7 140 铝合金厚板进行全厚度残余应力测试，用X射线法进行表面残余应力的测试校核，两种方法获得的表层残余应力测试结果较好吻合；采用切缝翘曲法进行了板材内部残余应力测试并与层削法测试结果进行对比，残余应力在厚度上的分布趋势相互吻合。上述测试验证了层削法测试的7140铝合金厚板残余应力分布能够反映材料的整体残余应力状态。1层削法残余应力计算模型假设铝合金厚板残余应力在同一厚度上均匀分布，残余应力仅在厚度上存在差异。没有外力情况下残余应力处于平衡状态，当逐层去除材料时，原有的力学平衡被打破，剩余部分残余应力将会重新分布，应力和力矩达到新的平衡，此时产生变形的力与剥去层中的残余应力合力和力矩大小相等，方向相反。剥层后试样因部分残余应力的释放而产生扰度，通过测量度值，建立力学模型计算各层应力平均值。铣削剥层时，采用高转速铣削方式。1.1残余应力计算板材层削法残余应力计算模型如图1所示。RRx+dxRRRS-X2S-x-dx2图1板材任意切削厚度时内应力产生的弯矩保持平衡Fig.1 Balancing the bending moment generated by internalstress during arbitrary removing thickness of the plate层削深度为x时，中性面曲率半径为R，继续切削dx深度，此时中性面曲率半径为Rx+dx，该曲率半径改变产生的弯矩来自于板材dx层残余应力的释放。根据弯矩平衡，可建立如下关系：S-Xgdx2MAx+de-M(1)因此，可表示为2(MMx+dx(2)s-x)dxM，可表示为EIM,=(3)R.1，可表示为1,=(s-x)12(4)因此M，可表示为E(s-x)3M(5)12R同理，M可表示为+dxE(s-x-dx)3M(6)一x+dx12R,x+dx由式（2）、（5）、（6）可知，可表示为轻合金加工技术Vol51,No6LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY59Es-x-dx)(s-x)330,=6(s-x)dxSR+dR(7)根据几何关系：(R-ha)+(l/2)?=(R)(8)R=(9)8h2因此，R，可表示为S-Xh一S+xR=R(10)+28h2同理，Rx+d可可表示为RS一(x+dx)R$+d=二x+dx2hs+x+dxx+dx(11)+8h2x+dx式中：一切割深度为时的残余应力；E一弹性模量；s一板厚；x一层削深度；dx一切割深度为x时的单层切削厚度；R一层削深度为x时板材未切削中性面曲率半径；Rx+d一层削深度为+dx时板材未切削中性面曲率半径；R一层削深度为时板材下表面测量曲率半径；M，一层削深度为时板材弯矩；Mx+d一层削深度为+dx时板材弯矩；一层削深度为时板材惯性矩；Ix+d一层削深度为+dx时板材惯性矩；h一挠度；1一测量规跨度。由式（9）、（10）、（11），采用层削法逐层去除材料，可逐层获得残余应力，在厚度上的分布。1.2残余应力修正层削去除每一层材料后，未去除材料部位的残余应力会重新分配，因此在计算后续道次时需要加以修正。根据应力平衡，层削深度为x时，dx层的残余应力，对未层削部位产生的残余应力影响可表示为do9,dx(12)S-x0修=0+dx(13)S一x02挠度采集采用铣床对尺寸为40 0 mm50mm120mm的7 140 铝合金厚板进行逐层铣削，道次层削量为4mm，每层铣削后进行挠度值测量。支撑点间距为355.6mm，度测量位置为试样下表面中间部位，挠度测试如图2 所示，挠度测量过程如图3 所示，测试获得的层削深度与挠度关系如图4所示。h图2板材度测试示意图Fig.2 Schematic diagram of plate deflection test图3板材挠度测试Fig.3 Plate deflection test160140120um/410080604020005101520253035404550556065707580层削深度/mm图4层削深度与挠度关系Fig.4 Relationship between layer removal depth anddeflection轻合金加工技术Vol51,No6LIGHTALLOY FABRICATION TECHNOLOGY603残余应力计算层削深度与挠度关系测试后，依据式（13）求解获得表面不同深度的残余应力，结果如图5所示。由图5可知，从板材表面到板厚的1/4部位，残余应力为压应力，近表面残余压应力最大值为-2 9 MPa；板材心部为残余拉应力，残余拉应力最大值为14MPa。5040302010010-20-30-40-50-0102030405060708090100110120板厚/mm图5不同层削深度的残余应力计算值Fig.5 Calculation of residual stress at different removal depths4校核与验证为了验证层削法测试残余应力的可靠性，采用日本m-X360s测试设备，对试样表面进行X射线法残余应力测试；从层削法试样相邻部位