数控龙门镗铣床横梁制造过程残余应力数值模拟与试验研究

摘要

国内制造业需求结构呈现高端化发展态势，对大型数控机床的可靠性和精度寿命提出了更高的要求。残余应力的释放是导致机床关重件精度变化的主要因素之一，严重的甚至会引起变形、开裂等问题，对机床产品的可靠性和性能稳定性都有不利影响。横梁作为数控龙门镗铣床主轴系统的关键承力结构件，对尺寸稳定性、结构强度及疲劳寿命要求极高。因此，对横梁部件制造过程中的残余应力进行研究，准确地掌握其残余应力分布和变化趋势，是分析横梁性能的重要前提，也是优化横梁生产工艺的重要基础。建立完整的数控机床关键基础部件制造过程的多工艺残余应力仿真模拟流程，提高模拟结果精度，为现行的机床部件设计和生产工艺改进提供指导，具有重要的理论意义和工程实用价值。论文研究的主要内容有： ①建立横梁在铸造、加工及热时效过程应力场的数学模型，分析了多个制造工艺条件下残余应力数值模拟的理论基础。分别从数值算法和仿真模拟平台的角度分析了残余应力数据在表达形式上具有一致性，保证了横梁制造过程中多个工艺仿真模拟过程中可以有效地进行残余应力的数据传递。 ②对 XK24 型数控龙门镗铣床横梁的铸造工艺过程进行仿真模拟，针对铸造过程的流场、温度场和应力场耦合分析，研究横梁铸件毛坯的残余应力分布；应用钻孔法定量分析横梁铸件导轨安装面的残余应力水平。采用最小二乘法拟合仿真值和测量值得到修正系数，并对铸造残余应力场进行修正，获得更加符合生产实际的铸件毛坯初始残余应力场。 ③以铸造残余应力场为基础，采用单元生死法模拟了粗加工过程，导轨安装面附近残余应力因材料的去除发生了重分布，分布趋势与试验检测结果基本一致；接着，进行了热时效过程的数值模拟和残余应力检测试验，相对于未修正的应力场，基于修正后应力场的热时效模拟获得的导轨面残余应力结果误差从33.6%降低到6.81%，有限元模拟分析结果精度得到明显提高。 ④对横梁部件残余应力水平进行评价，综合分析残余应力场在制造过程中的变化规律，以及残余应力引起横梁变形的风险。

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