潛心加工變形研究 助力航空產業發展
—— 記南昌航空大學秦國華教授

◎ 文/李 沖

相對于航空整體機構件，加工變形或可稱為一件“小事”，但之于整架飛機，它卻是一件實實在在的“大事”。

航空整體機構件，就是飛機的大梁、骨架、隔框、壁板等具有固定的形狀并能夠承受載荷的單個零件或組件。

隨著航空工業的發展，現代飛機大量采用重量輕、結構效率高、裝配工作量小、可靠性高的整體結構件，但受各種因素影響，其加工結束后往往產生彎曲、扭曲或彎扭組合等變形，致使加工精度難以達到設計要求。航空整體結構件加工變形控制，已成為航空制造業關鍵技術難點之一。

南昌航空大學秦國華教授領銜的“航空整體結構件‘裝夾-工藝-應力’的加工變形控制理論與技術”項目，就是為解決這一技術難點而開展。

需求導向，創新指引

這是一個生發于企業現實需求的課題。

長期以來，在航空整體結構件的數控加工過程中，零件加工完后的變形一直是影響零件質量的重要問題之一。

秦國華介紹，有大量研究表明，零件毛坯的初始殘余應力是影響零件最終變形量的決定性因素，影響所占權重高達90%以上。但目前，關于毛坯殘余應力的分布和水平與零件變形之間關系的研究還處于一個比較低的層次，其假設條件和研究方向與工程實際有較大的出入，研究結果自然也無法應用于工程實際。

隨著飛機性能要求的提高，航空結構件的變形問題日益突出，迫切需要對航空結構件的變形與毛坯初始殘余應力之間的關系進行系統研究。

為此，自2006年起，秦國華帶領項目團隊，通過產、學、研聯合攻關，著力從裝夾性能、加工變形分析與控制兩方面進行了系統、全面的基礎理論研究和技術創新探索，并取得了系列創新成果。

裝夾性能研究是團隊第一階段的研究重點。

他們依據工件在裝夾布局中的運動和受力狀態，建立了工件裝夾的性能評價模型及其求解算法，提出了定位確定性、力的存在性、力的可行性等裝夾性能的判定條件和評判標準，提高了解決實際制造問題的科學性。

他們利用取值范圍或取值表面的離散化方法，通過構建合理的終止條件，將連續的裝夾布局規劃方法轉變為離散型的裝夾性能迭代分析方法，豐富和發展了計算機輔助夾具設計的基礎理論，改變了一般工藝中夾具設計的經驗性方法，突破了以往開發計算機輔助夾具設計系統的局限性。

以上成果在湖北鼎福汽車工具有限公司、江西洪都航空工業集團有限責任公司等研究中進行了推廣應用，解決了諸如液壓筒和底座等之間的準確對接定位問題，焊接出來的液壓千斤頂一致性好，合格率幾乎達到100%。

良好的應用效果給了項目團隊極大的信心。2015年起，團隊受中航工業成飛集團數控廠的委托，開始了第二階段也就是航空薄壁件的加工變形控制問題研究。

結合航空整體結構件的裝夾方式，他們研究和揭示了殘余應力水平、分布及釋放狀態下的零件變形機理，建立了零件在毛坯中的加工位置優化模型及其步長遞減算法，拓展了企業目前實際使用的“零件在毛坯內上、下空間余量相等”的中間位置加工法。在江西華友機械有限公司機翼縫翼墊塊薄板件、江西綠陽光學儀器制造有限公司中航空發動機寬弦空心風扇葉片等的加工中應用后，使加工變形減少了99%。

此外，他們還通過單位力法將零件變形轉換為結構因子與殘余應力之積，根據零件變形不超出加工要求這一約束條件，建立了殘余應力的控制規范模型及其樞軸變換算法求解方法，為切削上游工藝提供了合理的應力指南。實際應用中，已為中航工業成飛集團數控廠評測毛坯進廠的應力合理性提供了理論指導。

相關應用實踐表明，項目所形成的“裝夾-工藝-應力”一體化系列評估與控制關鍵技術，可有效指導復雜零件的高效高精加工，確實為解決航空整體結構件加工變形的工藝瓶頸提供了有力的技術支持，顯著提高了制造業的柔性與效率，在保證產品質量的前提下，達到了縮短產品生產周期、降低生產成本的效果。

特別值得一提的是，該項目技術成果在航空航天以外的行業也有其理論意義與應用價值。

據介紹，無論是在傳統制造業還是現代柔性制造系統中，為了保證加工表面相對其他表面的尺寸和位置精度，加工前所面臨的關鍵問題都是合理地裝夾好工件。而這一過程無一例外都面臨著“夾具裝夾布局方案的設計方法局限于設計人員的設計經驗和知識水平”的困境，而項目研發的關于裝夾布局規劃方面的方法和技術，是將連續性的夾具設計問題轉化為計算機能夠處理的離散性問題，涉及到的信息僅僅是點的坐標及其法向量，因此，這一技術不僅適合于任意形狀的零件，也適合于弱剛性的薄壁零件。

同時，團隊形成的毛坯初始殘余應力控制規范，同樣可為汽車、機械制造領域等復雜構件的加工變形控制提供理論支撐。

這意味著，這一成果對于我國航空、汽車、機械等制造領域復雜構件的制造水平和質量提升，均具有重要意義。

產學研助力，高質量發展

這是一個典型產學研合作模式的結晶。

據介紹，項目由南昌航空大學、江西洪都航空工業集團有限責任公司、江西華友機械有限公司等合作攻關完成。其中，南昌航空大學牽頭理論研究、技術攻關與推廣應用；江西洪都航空工業集團有限責任公司等承擔項目中殘余應力測試的材料及加工，以及典型構件的現場實驗工藝指導；江西華友機械有限公司則承擔工業試驗研究和產業化應用，研發相應裝夾布局的具體夾具結構。

換言之，高校和研究院所負責基礎理論研究分析與試驗驗證，企業負責在線技術驗證與信息反饋，三方相互配合，通力合作，共同研發新技術、新產品并實現產業化。

在這一較為穩定的產學研戰略合作模式下，項目實現了從理論到技術再到應用各個層面的突破，也收獲了各方面的高質量發展。

迄今，該成果共發表論文98篇，其中SCI收錄21篇，EI收錄83篇，其中多篇文章得到業內專家高度評價；出版學術專著1部，授權國家發明、實用新型專利21件，獲得計算機軟件著作權1項；獲得陜西省科學技術一等獎等科研獎勵5項。

經濟方面，僅在2017-2019年的推廣應用期，就實現了新增銷售額1.16億元，新增利潤2.25千萬元的成績，效益顯著。

合作中，南昌航空大學努力提升本校相關學科發展之外，還積極加強基地建設及促進團隊建設，以“江西省航空構件制造技術工程實驗室”“江西省航空制造業協同創新中心”“江西省航空宇航科學與技術研究生教育創新基地”等為基地，以協同創新中心等為依托開展產學研合作，與一批行業企業及研究院所建立了長期穩定的合作關系，為自己也為企業培養了一批專業技術人才與后備力量。

自古成大事者，應大處著眼，小處著手。只看大處，不重小處，難以落地；只顧小處，不睬大處，難以長遠。科學研究亦是如此。秦國華“大處”是航空安全，“小處”就是航空整體結構件加工變形及控制技術這件“小事”。

正因為秦國華等無數科技工作者從小處出發，把件件“小事”當作自己的終身志業，十幾年如一日潛心攻關，才有了大家心中響亮的“航空安全無小事”。