浅析航空航天薄壁框体零件的高效加工工艺

郭跃成

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南 长沙 412002）

引言：

航空航天产业作为经济全球化主导地位竞争的重要领域之一，其产品质量尤为重要。随着工业发展建设的成熟度不断提高，产品加工方式得到不断的优化与提升，如3D打印技术的广泛应用。在实践生产过程中，诸多产品零件的加工技术仍有很大的提升空间。文章以3D打印后的薄壁框体零件的加工工艺方法为例，分析了零件加工变形的原因与高效解决策略，以为后续此领域科研工作开展提供参考。

一、研究航空航天薄壁框体零件高效加工工艺的现实意义

对于薄壁框体零件来说，其因具有总质量轻、刚性好等优势被广泛运用于航空航天业，进而满足高精度、结构紧凑零件的需求。然而，在薄壁框体零件加工过程经常出现塑性变形与装夹困难的问题，导致产品加工精度不高、生产效率下降以及质量性能差等严重后果。为此，工艺编制人员应对航空航天薄壁框体零件加工变形的成因进行分析，以找出问题控制的关键点，进而着手对加工工艺进行高效优化。这也是加快航空航天领域健康稳定发展的重要课题，研究人员应将其重视起来。

二、航空航天薄壁框体零件加工变形的原因

（一）材料加工释放残余应力

应用于航空航天领域的薄壁框体零件，其残余应力是指加工过程切削残余应力与毛坯初始残余应力。究其原因，薄壁框体零件具有结构复杂且去除材料较多特点，因此，切削加工过程，刀具会与切削、加工面间产生摩擦与挤压，进而使零件表层内部出现不同程度的残余应力[1]。当这类残余应力之间相互作用时，零件局部位置就会出现塑性变形现象，导致超差问题发生，进而影响零件质量。

（二）工件刀具削切作用影响

零件加工过程，刀具削切材料会使刀具与切削工件间产生摩擦，即切削力与切削热。前者，薄壁框体零件在切削力的条件下，切削震颤会使加工过程出现变形，且变形趋势无法得到有效控制。而切削热会导致薄壁零件的各部位温度不均，且严重影响零件产品的表面品质与加工精度。在共同作用影响下，材料会发生回弹变形与塑性变形问题[2]。

（三）工件装夹工艺缺陷

薄壁零件生产加工过程中的装夹工艺是指，夹紧力位置、装夹方式以及夹紧力大小等。这些关键点，使控制零件变形与误差的要素。因为，装夹操作不当，会直接引起薄壁零件的加工变形。如图1所示，为零件加工精度的影响因素示意图。

为保证零件加工过程不出现松动问题，应对夹紧力与切削力进行同步增大控制。但采用四爪盘卡紧方式，夹紧力会大于切削力。此条件下，生产出来的薄壁零件会在卡爪松开后出现较大变形。值得注意的是，在精粗加工阶段，如采用同样装夹方式，即使经过磨削处理，也无法满足零件预期的尺寸与几何精度要求。

为解决上述问题所带来的负面影响，研究人员应将控制航空航天薄壁框体零件加工变形作为重点工作内容，不断优化加工工艺。

三、航空航天薄壁框体零件加工工艺的高效优化策略

（一）消除零件残余应力

首先，明确变形控制方向。由于薄壁零件初始残余应力与毛坯材料受热有关，因此，发现并预测加工过程残余应力是控制零件变形的关键。

其次，确立变形控制方案。受热与机械力的耦合，是增加变形控制问题分辨与控制的难点，为此，可通过有限元建模来对这两个因素进行分离，并结合加工模型来预测控制变形的大小。

最后，消除残余应力。可采用深冷处理、预拉伸以及振动时效等方式。由于薄壁结构多框体零件加工过程极易出现变形，因此，粗加工时可遵循均等去除余量原则轮流加工，来保证应力去除效果。为降低材料内部残余应力，可采用极冷极热的温差处理来改变局部发生微观塑性变形局限。

（二）加工工艺的高效优化

由于薄壁框体零件的壁厚较小，因此，会对其刚性与铣削处理时的切削效果造成影响。为此，应对加工步骤进行合理设计，即尽可能支撑未加工工件部分的初削部分，以降低切削力与切削热的相互作用，进而减少残余应力。刀具下刀方式应结合工件加工要求，合理选择指标参数。如采用垂直进刀方式向下压腹板操作，容易引发弯曲变形，应结合工件材料性能对切削参数进行合理设置。同时，还要采取多次且余量逐渐变小的方式，来实现匀速与高速的切削目的。此外，还应借助现有科研成果，即对高速切削、铣削等加工操作进行工艺调整。通过严格遵循粗加工、时效处理以及半精加工与精加工的工艺路线，以保证生产出高质量的产品。

（三）装夹工艺优化调整

一方面，薄壁零件生产加工人员应对装卡方式进行优化，即在着手工序前安装胎具，以代替卡紧工件。另一方面，对于装夹定位不方便的工件，可运用材料辅助支撑的方式，来保证零件刚性与紧固效果。如，通过浇灌石蜡与石膏材料，来填充低熔点合金的填充工艺方法，以此来将零件的塑性变形控制在最小化[3]。

四、结束语：

综上所述，加工释放的残余应力、加工时刀具削切作用的影响以及工件装夹工艺的缺陷，可通过前期风险评估做预案、合理制定加工工艺路线、优化切削参数以及合适的装夹工艺，来实现薄壁框体零件的高效、高质量生产。