航空薄壁零件變形控制方法的研究

于春濤 韓愛芳

（江南計算技術研究所，江蘇 無錫 214083）

0 引言

當今航空航天工業的快速發展，對飛行器的性能和可靠性提出了更高的要求，并極大影響著航空航天產品的設計理念。零件設計向著薄壁化、整體化和復雜化方向發展，并要求提高飛行器整體機構強度、簡化裝配環節、降低飛機自重。但是，薄壁結構件的加工問題也對航空制造業提出了新的挑戰。薄壁結構件結構復雜、剛性差，并且在材料去除量大時，加工變形和尺寸穩定性難以控制，產品一次性合格率低。這現已成為我國航空生產領域中的瓶頸，因此薄壁結構件加工變形控制技術已成為飛行器制造中亟待解決的關鍵問題之一。

1 引起薄壁結構件變形的因素

在加工過程中，引起薄壁結構件變形的因素有很多，包括工件、刀具、機床、夾具及工藝參數等。其中最主要的因素有材料內部的殘余應力、加工過程的切削力、工裝夾具的裝夾力。

（1）材料內部殘余應力的影響。在沒有外力載荷作用的情況下，材料內部的殘余應力是相互平衡的，毛坯處于不變形的狀態。在薄壁結構件加工中含有殘余應力的毛坯材料被去除，殘余應力得以釋放，破壞了原有的平衡狀態，并且在加工完成后應力重新分布，達到新的平衡狀態，最終產生加工變形。由于薄壁結構件在加工過程中材料去除量高，甚至能達到90%［1］，因此殘余應力釋放所引起的加工變形尤為顯著。

（2）加工過程中切削力的影響。板框類薄壁結構件的加工主要采用銑削方式，材料受銑刀擠壓作用不斷發生剪切失效后從材料基體上被去除，工件與銑刀前刀面、后刀面之間存在變化強烈的切削力作用。薄壁結構件剛度低，受到切削力作用時會產生局部的彈塑性變形，從而降低了工件的加工精度和表面質量。另外，銑削過程中工件的加工表面會產生大量塑性變形，與其他部位所產生的彈性變形相互牽制，形成新的加工應力，從而進一步改變材料內部原有的應力分布狀態，使薄壁結構件產生進一步的加工變形。

（3）工裝夾具裝夾力的影響。薄壁結構件加工過程中的裝夾方案也是影響加工變形的重要因素。據統計，至少有20%的加工誤差是由裝夾及定位造成的［2］。薄壁結構件加工精度要求較高，工件在機床上定位基準面選擇不當，或是夾緊力的大小及位置不合適，都會引起較大的定位誤差，從而導致精度降低；另一方面，工件的夾緊力也會與切削力發生耦合效應，影響加工應力的產生和殘余應力的重新分布，使薄壁結構件的加工變形更為復雜。

2 減小薄壁零件加工變形的策略

薄壁結構件的局部剛性較弱，在加工過程中受切削力和切削熱的影響較大。控制薄壁零件加工變形的主要方法在于處理好切削力和零件局部剛度的關系。降低切削力和消除零件殘余應力是減小薄壁零件局部加工變形的主要途徑。數控加工理論研究和實際應用表明高速切削具有較小的切削力，從而在加工過程中產生的讓刀變形效應較小，同時，由于切削熱大部分由切削帶走，零件溫升變化不大，工件熱變形很小，易于控制零件的尺寸精度和形位精度。應用高速切削控制薄壁零件變形的基本原則是協調切削力與零件剩余剛度之間的關系，通過優化加工參數，控制適當的切削力，始終保持零件具有最大的剩余剛度來抗衡切削力，從而達到控制薄壁零件加工變形的目的。

薄壁結構件在加工過程中材料去除率高，截面形狀復雜，毛坯中的內應力隨著材料去除而被逐步釋放，內應力釋放不均勻會導致零件的整體變形。針對毛坯進行內應力的預釋放，采用適當的時效處理方法和優化設置應力釋放工藝槽是消除內應力最為直接有效的途徑。

由于工裝夾具的限制，零件在加工過程裝夾力分布并不均勻，工件在卸夾具前并無明顯的整體輪廓變形。因為在零件加工過程中，應力重新平衡受到夾具的制約，工件形狀趨于不穩定狀態。然而零件剛性較為薄弱的中心區域會因為加工后應力重新平衡而產生塑性變形，應優化裝夾方式合理消除裝夾力對零件變形所帶來的影響。

3 薄壁零件加工變形控制工藝

在采用高速切削技術降低切削力的基礎上，可采取優化加工參數和讓刀誤差補償的措施控制零件的變形［3］。為了消除刀具與工件間相互受力所引起的加工精度誤差，可采用刀具偏擺過切補償工藝。在工件加工前，可通過薄壁結構件切削受力有限元模擬分析預測工件在銑削過程中的變形趨勢和變形量。根據預測的變形量將刀具進行偏擺，并將刀具偏擺量錄入到數控程序中，使得刀具在實際切削加工過程中偏向工件偏離方向，從而克服讓刀帶來的壁厚不均勻現象，實現加工誤差的補償。

薄壁結構件加工變形由材料內應力所引起，選擇應力分布均勻的毛坯將有利于應力測量，掌握其內應力分布規律，并可通過仿真模擬手段對工藝路線進行優化。例如鋁合金預拉伸板7075-T651其應力呈“M”型分布，具有較強的規律性，且應力幅值較低，便于在生產過程中掌握其變形規律，利用其有效控制薄壁零件的加工變形問題。

對毛坯材料進行時效處理并設置合理的應力釋放工藝槽是消除應力最為直接的方法，但不同的時效方式所起到的效果和實用性并不相同。對比可知，高低溫時效處理既具有自然時效的尺寸穩定性，又能像傳統時效處理降低應力峰值，均化應力分布，并能在一定程度上提高材料機械性能，作為一種新型的時效方式對控制薄壁結構件加工變形提供了新的工藝。應力釋放工藝槽應設置在加工過程中應力集中的部位。例如緣條等容易彎曲的零件，其容易產生應力集中的部位是肋板邊緣，梁肋間容易翹曲，此種工藝措施簡單可行，具有很強的可操作性。

采用防變形裝夾技術也是實現薄壁結構件高效加工的關鍵，實現防變形裝夾技術的關鍵是裝夾時確保零件基準面與工作臺面或夾具基準面自然、致密貼合，零件基準面多點均勻受力緊固。尤其對于薄壁類、框架類零件采用傳統的工件四周預留工藝余量壓板裝夾的方式，由于零件本身的剛性較差，工件上各點所受裝夾力不均勻，加工后的殘余應力更易導致工件產生翹曲變形，同時“機床—工件”系統剛性較差易于產生顫振，影響工件的表面精度。針對各類薄壁零件結構特點，保證工件加工過程中裝夾力均勻持續，可采用真空輔助裝夾方式。該裝夾方法可提供持續的、恒定的吸附壓力，使工件牢牢固定在夾具體上，確保加工中工件剛性較弱的區域緊貼工作臺面，消除加工后剛性較弱區域的翹曲變形問題。該裝夾方式中主要執行元件為真空吸盤體，其上面密封環槽的分布可根據所加工工件的形貌特征而定。并且該裝夾方式省去了壓板間螺紋配合裝夾時間，生產實踐證明真空輔助裝夾方式可有效提高產品質量，發揮生產效能。

4 結語

根據現代航空工業的需求，航空結構件朝著薄壁化、整體化、復雜化方向發展，解決其加工變形問題對提高航空產品質量和加工效率具有重要意義。本文主要從分析薄壁結構件變形機理入手，指出導致零件加工變形的主要因素，并從3方面提出減小薄壁結構件加工變形的策略。從不同的工藝著重點入手提出相應的解決措施，為航空薄壁結構件實現高效、高精度的加工起到一定的技術支撐作用。

［1］ WANG Z J,Chen W Y,Zhang Y D,et al.Study On the Machining Distortion of Thin Walled Part Caused by Redistribution of Residual Stress［J］.Chinese Journal of Aeronautics,2005，18（2）：175～179

［2］ Li B,Melkote S N.Improved Workpiece Location Accuracy through Fixture Layout Optimization［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture,1999，39（6）：871～883

［3］艾興.高速切削加工技術［M］.北京：國防工業出版社，2003