航天大尺寸薄壁圓盤的加工變形控制研究

白 鷹 金偉英 顧 丹

(上海航天設備制造總廠，上海200245)

航天飛行器的儀器圓盤是用于安裝科研儀器設備的重要零件，具有尺寸大、壁厚薄、剛度低等特點。零件為鋁合金薄壁板結構，筋板最薄處厚度僅為2.5 mm。在加工過程中，隨著從鍛件毛坯到零件整體加工余量的不斷去除，該零件易于在毛坯殘余應力和機加工應力的作用下產生薄板彎曲變形，零件壁厚以及主要精度不容易保證，隨之帶來生產周期長，整件精度不穩定和生產效率低等問題，給控制該航天零件的加工質量帶來了挑戰。

針對大型鋁合金壁板初始殘余應力及其加工變形控制的問題，很多學者開展了相應的研究。鋁合金厚板在成形和熱處理過程中，其內部不可避免地引入殘余應力，甚至接近材料的屈服強度［1-2］。因此為了減小毛坯初始殘余應力的釋放引起的加工變形，必須設法抑制與消除鋁合金板材內部殘余應力［3］。常用的方法包括:機械拉伸法(在規定的時間內，預拉伸量為2%～3%，最高可消除90%以上的殘余應力［4-6］);深冷處理法(在選擇合適的工藝參數條件下，深冷處理法可降低20%～84%的殘余應力［7］);振動時效法在淬火后處于不穩定的2 h內對其進行振動，效果最佳，殘余應力可減小50%～70%［8］)等方法。然而，無法消除的殘余應力對于大型薄壁圓盤零件而言，所引起的切削變形仍然不可忽視，需要從優化加工工藝的角度進行研究。

針對這一問題，采用增加應力槽以及雙面切削的技術，解決了毛坯殘余應力引起的變形問題，從而使零件精度得到了可靠保證。由于具有處理時間短、成本低等優點，在航天器的研制中具有廣泛的應用前景，特別是對目前航天產品的小批量生產意義更加重大。

1 變形機理分析

如圖1，圓盤零件為典型的大平面薄壁零件，材料為鋁合金，其外形尺寸為φ2 200 mm×25 mm，上面分布著200多個尺寸不一形狀不規則的型腔孔(通孔、盲孔、帶內邊沿的通孔)，筋厚4 mm，底平面板厚2.5 mm，質量31.13 kg，要求自由狀態下平面翹曲量≤5 mm，提供的毛坯鍛料約750 kg，金屬切削率達95.85%。

由毛坯直接“掏空”而加工成復雜槽腔、筋條、凸臺和減輕孔等整體結構件。整體結構件體積大、壁薄、剛度差、易變形、切削加工余量大，加工周期長，加工質量和精度很難控制，在加工過程中毛坯內部的殘余應力非均勻釋放，極易導致變形，采用常規控制變形方法保證平面翹曲量小于5 mm非常困難。

工件內應力是由于內部宏觀或微觀的組織發生了不均勻的體積變化而產生的，毛坯由于內應力暫時處于相對平衡狀態，但在切削去除某些表面部分以后，就打破了這種平衡，內應力重新分布，工件就明顯地出現了變形。因此，為及時消除工件加工過程中產生的內應力，關鍵加工工序后均進行穩定化時效處理，以減小上道工序工件變形對下道工序的不利影響。穩定化時效處理既要消除工件的內應力，又不能影響工件強度。引起圓盤變形應力的來源主要包括原材料在加工前就存在殘余應力，由于切削過程中刀具對工件的擠壓、摩擦產生的應力，切削熱在工件內部產生的機加工熱應力等。

對于毛坯內部殘余應力導致變形的原因可解釋為:假設工件結構是一個不規則的立方體，分為二層。第一層為外部應力層，第二層為內部應力層。對于三維尺寸都比較大的工件，認為應力是沿空間分布的，外層包裹內層，如圖2所示。對于板類工件，則認為是以平板層疊加分布的。由于工件加工都是首先破壞外層表面，而且不可能在一瞬間去除。這樣就出現了應力的重新分布。因首先加工的一側隨著切削作用應力被去除，內層的拉應力起作用，同時另一側的外層的壓應力也發生作用，共同作用的結果使結構向被加工一側產生變形。隨著加工的不斷進行，應力也隨之不斷地變化，并重新分布。當加工結束時，變形也就存在了。

直徑2 200 mm，厚度25 mm的圓盤，圓餅狀毛坯實際選用直徑2 400 mm，厚度68 mm毛坯料加工，加工余量大，加工過程中產生的內應力也大，變形也非常明顯。為了減小加工表面層的殘留應力，應盡力減小工件塑性變形。

對于薄壁復雜工件的加工變形，主要原因為，材料在加工前存在很大且分布不均勻的殘余應力，由于切削加工，材料殘余應力部分釋放并重新分布，從而引起加工變形。這個變形，很大程度上并不是因為切削力引起的變形，而更多是由于材料中在加工前就存在殘余應力。

2 方案與應用

鑒于引起大尺寸薄壁圓盤加工變形的主要原因在于材料毛坯內存在的初始殘余應力及其非均勻釋放過程，提出以下兩種解決方案:

(1)粗加工前的振動時效去應力法

旨在解決以往圓盤大尺寸實心鍛造工件工藝上難以實現工件芯部與外部熱時效均質化，爐溫不均勻去除應力不理想及熱時效自身帶來的熱應力無法去除的弊端問題。由于多次熱處理會降低材料的性能(原則上熱處理次數不超過3次)。為了不改變材料的狀態，不降低材料的性能，在工件消除應力時，不能采用熱處理退火工藝方法，只能采用低溫時效消除應力，而低溫時效溫度低，應力去除效果不理想，最終無法完全滿足零件精度，只能采取讓步接收形式。而采用振動消除應力技術，可不受產品尺寸的限制，有利于保證產品的尺寸精度和形狀位置精度，同時，會大大提高產品精度的穩定性，延長產品的貯存周期。然而，該方法的缺點在于，鋁合金等有色金屬殘余應力測量比較困難，目前尚無比較理想的非破壞測量方法。只能采用對比試驗法，選擇類比結構件，進行振動消除應力、熱處理消除應力兩種情況下的加工對比(見表1)，實際測量各種情況下的變形量，并對這些數據進行分析，對振動消除應力進行評價。

(2)應力釋放槽技術

控制加工過程中，刀具切削對工件產生的徑向應力，在工件型腔背面加開等分應力槽(如圖3所示)，以切斷工件徑向方向應力的傳遞。采用加開應力槽是為了將原來的面接觸改為點接觸(在型腔加工過程中)，以減少接觸面，使切削過程中產生的切削應力沿應力槽的方向開放式釋放，不在筋板交接處產生應力堆積。并且在應力槽面留加工余量，可以在型腔加工完成后，對應力槽面進行切削加工，以達到雙面切削，使產生的應力有相互抵消的效果，進一步減小加工應力。

綜合應用以上兩種工藝，使大尺寸薄壁圓盤實現了較好的加工質量，加工變形得到了有效的控制。比如在板厚為2.5～2.7 mm的情況下，無扭曲誤差，自由狀態扭曲為2.5～3 mm。

表1 相同尺寸結構不同狀態下的變形對比表(單位:mm)

3 結語

本文提出的大尺寸薄壁圓盤制造技術，解決了大面積薄壁工件的加工難題，采用組合“應力釋放槽”、“三次振動去應力”等工藝方法，圓盤實際加工尺寸為:孔間筋厚4.18 mm，底平面厚度2.63 mm，自由狀態產品的翹曲量為2.75 mm(無扭曲)，制造結果滿足了任務書的要求。解決了大面積薄壁零件的加工變形，保證了圓盤翹曲量的要求，加工質量穩定，產品自由狀態的翹曲量從工藝攻關前的55 mm(有扭曲)減小到了2.75 mm(無扭曲)，證明該工藝措施是有效的，可應用于其他同類結構大面積薄壁零件的加工。

［1］唐志濤.航空鋁合金殘余應力及切削加工變形研究［D］.濟南:山東大學，2008.

［2］王秋成.航空鋁合金殘余應力消除及評估技術研究［D］.杭州:浙江大學，2003.

［3］趙麗麗，張以都.基于軋制應力分布的鋁合金厚板淬火應力仿真［J］.北京航空航天大學學報，2006，32(l):89-91.

［4］梁軒，彭大暑，張輝.7075鋁合金預拉伸板消除殘余應力的試驗研究［J］.輕合金加工技術，2003(1):15-17.

［5］柯映林，董輝躍.7075鋁合金厚板預拉伸模擬分析及其在淬火殘余應力消除中的應用［J］.中國有色金屬學報，2004，14(4):639-645.

［6］趙麗麗，張以都.預拉伸板軋制一拉伸殘余應力的計算機仿真［J］.北京航空航天大學學報，2004，30(7):606-609.

［7］王秋成，柯映林.深冷處理消除7050鋁合金殘余應力的研究［J］.浙江大學學報，2003，37(6):745-751.

［8］楊久強.高強度變形鋁合金殘余應力的消除［J］.鍛壓技術，1995(2):22-24.