航空薄壁零件变形控制方法的研究

于春涛 韩爱芳

（江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083）

0 引言

当今航空航天工业的快速发展，对飞行器的性能和可靠性提出了更高的要求，并极大影响着航空航天产品的设计理念。零件设计向着薄壁化、整体化和复杂化方向发展，并要求提高飞行器整体机构强度、简化装配环节、降低飞机自重。但是，薄壁结构件的加工问题也对航空制造业提出了新的挑战。薄壁结构件结构复杂、刚性差，并且在材料去除量大时，加工变形和尺寸稳定性难以控制，产品一次性合格率低。这现已成为我国航空生产领域中的瓶颈，因此薄壁结构件加工变形控制技术已成为飞行器制造中亟待解决的关键问题之一。

1 引起薄壁结构件变形的因素

在加工过程中，引起薄壁结构件变形的因素有很多，包括工件、刀具、机床、夹具及工艺参数等。其中最主要的因素有材料内部的残余应力、加工过程的切削力、工装夹具的装夹力。

（1）材料内部残余应力的影响。在没有外力载荷作用的情况下，材料内部的残余应力是相互平衡的，毛坯处于不变形的状态。在薄壁结构件加工中含有残余应力的毛坯材料被去除，残余应力得以释放，破坏了原有的平衡状态，并且在加工完成后应力重新分布，达到新的平衡状态，最终产生加工变形。由于薄壁结构件在加工过程中材料去除量高，甚至能达到90%［1］，因此残余应力释放所引起的加工变形尤为显著。

（2）加工过程中切削力的影响。板框类薄壁结构件的加工主要采用铣削方式，材料受铣刀挤压作用不断发生剪切失效后从材料基体上被去除，工件与铣刀前刀面、后刀面之间存在变化强烈的切削力作用。薄壁结构件刚度低，受到切削力作用时会产生局部的弹塑性变形，从而降低了工件的加工精度和表面质量。另外，铣削过程中工件的加工表面会产生大量塑性变形，与其他部位所产生的弹性变形相互牵制，形成新的加工应力，从而进一步改变材料内部原有的应力分布状态，使薄壁结构件产生进一步的加工变形。

（3）工装夹具装夹力的影响。薄壁结构件加工过程中的装夹方案也是影响加工变形的重要因素。据统计，至少有20%的加工误差是由装夹及定位造成的［2］。薄壁结构件加工精度要求较高，工件在机床上定位基准面选择不当，或是夹紧力的大小及位置不合适，都会引起较大的定位误差，从而导致精度降低；另一方面，工件的夹紧力也会与切削力发生耦合效应，影响加工应力的产生和残余应力的重新分布，使薄壁结构件的加工变形更为复杂。

2 减小薄壁零件加工变形的策略

薄壁结构件的局部刚性较弱，在加工过程中受切削力和切削热的影响较大。控制薄壁零件加工变形的主要方法在于处理好切削力和零件局部刚度的关系。降低切削力和消除零件残余应力是减小薄壁零件局部加工变形的主要途径。数控加工理论研究和实际应用表明高速切削具有较小的切削力，从而在加工过程中产生的让刀变形效应较小，同时，由于切削热大部分由切削带走，零件温升变化不大，工件热变形很小，易于控制零件的尺寸精度和形位精度。应用高速切削控制薄壁零件变形的基本原则是协调切削力与零件剩余刚度之间的关系，通过优化加工参数，控制适当的切削力，始终保持零件具有最大的剩余刚度来抗衡切削力，从而达到控制薄壁零件加工变形的目的。

薄壁结构件在加工过程中材料去除率高，截面形状复杂，毛坯中的内应力随着材料去除而被逐步释放，内应力释放不均匀会导致零件的整体变形。针对毛坯进行内应力的预释放，采用适当的时效处理方法和优化设置应力释放工艺槽是消除内应力最为直接有效的途径。

由于工装夹具的限制，零件在加工过程装夹力分布并不均匀，工件在卸夹具前并无明显的整体轮廓变形。因为在零件加工过程中，应力重新平衡受到夹具的制约，工件形状趋于不稳定状态。然而零件刚性较为薄弱的中心区域会因为加工后应力重新平衡而产生塑性变形，应优化装夹方式合理消除装夹力对零件变形所带来的影响。

3 薄壁零件加工变形控制工艺

在采用高速切削技术降低切削力的基础上，可采取优化加工参数和让刀误差补偿的措施控制零件的变形［3］。为了消除刀具与工件间相互受力所引起的加工精度误差，可采用刀具偏摆过切补偿工艺。在工件加工前，可通过薄壁结构件切削受力有限元模拟分析预测工件在铣削过程中的变形趋势和变形量。根据预测的变形量将刀具进行偏摆，并将刀具偏摆量录入到数控程序中，使得刀具在实际切削加工过程中偏向工件偏离方向，从而克服让刀带来的壁厚不均匀现象，实现加工误差的补偿。

薄壁结构件加工变形由材料内应力所引起，选择应力分布均匀的毛坯将有利于应力测量，掌握其内应力分布规律，并可通过仿真模拟手段对工艺路线进行优化。例如铝合金预拉伸板7075-T651其应力呈“M”型分布，具有较强的规律性，且应力幅值较低，便于在生产过程中掌握其变形规律，利用其有效控制薄壁零件的加工变形问题。

对毛坯材料进行时效处理并设置合理的应力释放工艺槽是消除应力最为直接的方法，但不同的时效方式所起到的效果和实用性并不相同。对比可知，高低温时效处理既具有自然时效的尺寸稳定性，又能像传统时效处理降低应力峰值，均化应力分布，并能在一定程度上提高材料机械性能，作为一种新型的时效方式对控制薄壁结构件加工变形提供了新的工艺。应力释放工艺槽应设置在加工过程中应力集中的部位。例如缘条等容易弯曲的零件，其容易产生应力集中的部位是肋板边缘，梁肋间容易翘曲，此种工艺措施简单可行，具有很强的可操作性。

采用防变形装夹技术也是实现薄壁结构件高效加工的关键，实现防变形装夹技术的关键是装夹时确保零件基准面与工作台面或夹具基准面自然、致密贴合，零件基准面多点均匀受力紧固。尤其对于薄壁类、框架类零件采用传统的工件四周预留工艺余量压板装夹的方式，由于零件本身的刚性较差，工件上各点所受装夹力不均匀，加工后的残余应力更易导致工件产生翘曲变形，同时“机床—工件”系统刚性较差易于产生颤振，影响工件的表面精度。针对各类薄壁零件结构特点，保证工件加工过程中装夹力均匀持续，可采用真空辅助装夹方式。该装夹方法可提供持续的、恒定的吸附压力，使工件牢牢固定在夹具体上，确保加工中工件刚性较弱的区域紧贴工作台面，消除加工后刚性较弱区域的翘曲变形问题。该装夹方式中主要执行元件为真空吸盘体，其上面密封环槽的分布可根据所加工工件的形貌特征而定。并且该装夹方式省去了压板间螺纹配合装夹时间，生产实践证明真空辅助装夹方式可有效提高产品质量，发挥生产效能。

4 结语

根据现代航空工业的需求，航空结构件朝着薄壁化、整体化、复杂化方向发展，解决其加工变形问题对提高航空产品质量和加工效率具有重要意义。本文主要从分析薄壁结构件变形机理入手，指出导致零件加工变形的主要因素，并从3方面提出减小薄壁结构件加工变形的策略。从不同的工艺着重点入手提出相应的解决措施，为航空薄壁结构件实现高效、高精度的加工起到一定的技术支撑作用。

［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］艾兴.高速切削加工技术［M］.北京：国防工业出版社，2003