薄壁壁板類零件在加工過程中變形的工藝研究

何志英，任 波

（1.成都飛機工業集團有限公司制造工程部民機項目室，四川成都610091；2.中國科學院成都文獻情報中心，四川成都610041）

現代航空工業中，為減輕飛機自重，提高飛機的各項機械性能，在飛機零部件中越來越多的使用整體結構件。盡管整體薄壁件在航空工業中有著諸多的優點，然而多年來整體薄壁結構件的加工變形問題，一直困擾著航空工業，目前在大型復雜構件加工工藝研究方面，還顯得很不深入。變形規律尚未掌握，針對減小變形的系統工藝措施尚不完善。如圖1所示的薄壁零件加工后的翹曲變形，已成為生產中的技術難題。大型整體薄壁零件的數控加工變形問題，已經成為幾乎所有飛機廠型號研制與生產的極大障礙。這一落后狀況，嚴重限制了我國國防工業的快速穩定發展，這一技術難題如不盡快攻克，勢必直接影響產品的加工質量、生產進度和市場競爭能力。當今，中國正在發展民族航空業，如大運、大客、ARJ飛機，在這些新型的民用飛機的設計上，更多地選擇了整體薄壁壁板。因而研究大型整體薄壁零件加工變形的機理及相應工藝措施的理論，對于提高我國航空、航天工業的發展水平，不僅具有重大的理論意義和工程應用價值，而且也是提高我國制造業的迫切需要。

圖1 實際加工中零件的變形

1 薄壁壁板類零件變形的原因

通常引起大型整體薄壁零件變形的原因可分為：彈性變形，塑性變形，熱變形和殘余應力變形。其中殘余應力為引起加工后零件變形的主要原因。殘余應力，是在無外力的作用時，以平衡狀態存在于物體內部的應力。殘余應力是內應力的一種，其產生的原因為不均勻的塑性變形，是已發生塑性變形部分與未發生塑性變形部分，互相牽制形成的彈性應力場。在切削加工中，由于切削材料的去除，打破了原來殘余應力的平衡，從而引起零件的變形。

2 加工零件及毛坯狀態的確定

2.1 加工零件的確定

所加工的零件為某飛機上的零件，該零件尺寸大，材料去除量高，加工后零件底板厚為3 mm，壁板厚為2.5 mm。其形狀及尺寸如圖2所示。加工時，兩端工藝凸臺及中間孔固定，加工后將兩端工藝凸臺去掉。

圖2 加工零件主要尺寸

由于該零件尺寸較大，在加工時費料費時。所以根據該零件上下、左右對稱的特點，取1/4進行加工，簡化分析。簡化后的零件如圖3所示。

圖3 簡化后的零件圖

2.2 加工方案

在加工中，將毛坯分為精加工毛坯和粗加工毛坯。精加工毛坯的高度和零件最后高度相等（21 mm），零件直接在此基礎上加工；粗加工毛坯的高度大于21 mm，根據精加工毛坯在粗加工毛坯中位置的不同，將毛坯類型分為4種。每種類型具體情況如下：

（1）精加工毛坯和粗加工毛坯厚度均為21 mm，在此基礎上加工到最后零件尺寸，如圖4（Ⅰ）。

（2）粗加工毛坯厚度為27 mm，分別銑去上下表面各3 mm后成為精加工毛坯，在此基礎上加工到最后零件尺寸，如圖 4（Ⅱ）。

（3）粗加工毛坯厚度為33 mm，分別銑去上下表面各6 mm后成為精加工毛坯，在此基礎上加工到最后零件尺寸，如圖 4（Ⅲ）。

（4）粗加工毛坯厚度為39 mm，分別銑去上下表面各9 mm后成為精加工毛坯，在此基礎上加工到最后零件尺寸，如圖 4（Ⅳ）。

圖4 4種不同的毛坯情況示意圖

2.3 對4種加工類型的分析

（1）零件件變形。方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ毛坯加工成形后，零件的變形。

（2）殘余應力重新分布。方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ毛坯去除上下表面的材料后，精加工毛坯內部殘余應力的分布情況。

（3）零件變形變化情況。毛坯類型方案Ⅰ中零件變形隨切削深度變化的情況。

3 加工后變形結果分析

3.1 變形結果分析

4種毛坯方案加工零件的Z向變形趨勢如圖5。在加工中可以看出，4種方案零件的變形不僅在數值上有差異，而且變形發生的位置也不同。方案Ⅰ零件Z向變形主要表現為長邊端部翹起。而方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ零件的Z向變形，主要表現為短邊端部翹起。4種方案的Z向最大變形見表1。

表1 4種毛坯方案工件的Z向最大變形 單位：mm

圖5 零件Z向最大變形比較圖

從圖5可以看出，Ⅰ方案零件Z向最大變形最大，隨粗加工毛坯厚度的增加，零件Z向最大變形迅速減小。Ⅳ方案Z向變形最小。結果表明：通過選取比精加工毛坯后的粗加工毛坯先進行去應力粗加工，然后再進行精加工，可以大大減小零件的變形。這是因為在靠近毛坯中心的部位，殘余應力分布比較均勻，數值也比較小。

3.2 殘余應力分布

通過檢測方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ經過粗加工后精加工毛坯內部殘余應力沿厚度的分布情況，得出如圖6 b～圖6 d，并與方案Ⅰ中毛坯內部殘余應力沿厚度分布情況（圖6 a）比較可以看出，隨粗加工毛坯厚度的增加，精加工毛坯內部的殘余應力分布更趨均勻，殘余應力數值也大為減小。但經過粗加工之后毛坯內部殘余應力分布的方向改變，方案Ⅰ毛坯內部殘余應力表層為壓應力，中心為拉應力；經過粗加工后的方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表層為拉應力，中心為壓應力。可以認為經過粗加工之后毛坯內部殘余應力在數值上變小和在分布上更均勻是工件加工變形減小的主要原因。

圖6a 方案Ⅰ毛坯殘余應力沿厚度分布圖

圖6b 方案Ⅱ毛坯殘余應力沿厚度分布圖

圖6c 方案Ⅲ毛坯殘余應力沿厚度分布圖

圖6d 方案Ⅳ毛坯殘余應力沿厚度分布圖

3.3 零件變形隨切削深度變化結果分析

對方案Ⅰ毛坯進行加工時，發現每切削一層即釋放一次變形。在6次切削中，零件Z向最大變形值和變形趨勢見表2和圖7。

表2 零件底板厚度不同時Z向最大變形 單位：mm

圖7 零件Z向最大變形隨底板剩余厚度變化圖

從圖7可以看出，零件Z向最大變形隨底板厚度的變化可以分為兩個階段：

（1）變形增大階段。從開始加工到底板剩余厚度為6 mm這個階段，零件變形隨底板剩余厚度的減小而增加，到底板為6 mm時變形達到最大。

（2）變形減小階段。從底板剩余厚度為6 mm往后，在這個階段，零件變形隨底板剩余厚度的減小而迅速減小。

這兩個階段的存在，應該和零件的剛度有關。在變形增大階段，零件的剛度比較大，隨著材料的切除，零件的剛度減小，抵抗變形的能力減弱，所以零件的變形隨底板厚度的減小而增加。在這個階段，剛度的強弱，對零件的變形起重要作用，可以稱這個階段為剛度敏感階段。當底板厚度繼續減小，零件的剛度繼續減弱，越過一個臨界點（如此例中底板厚度為6 mm時），零件變為弱剛性，此時剛度對零件的變形的影響大大降低。零件的變形處于一個比較小的水平，這個階段可以稱為剛度不敏感階段。在這兩階段之間，存在一個使零件變形最大的點。這個點稱為變形臨界點。

4 結束語

通過4種情況，對大型整體薄壁零件的加工過程進行變形、殘余應力分布的分析，可以得出以下結論：

（1）在加工薄壁整體結構時，將加工過程分為粗加工和精加工兩個過程。精加工毛坯，取自粗加工毛坯的中心部位。用這樣的精加工毛坯加工整體薄壁零件，可以有效地減小加工后的變形。而且粗加工毛坯厚度越厚，工件最后的變形越小。

（2）經過粗加工去除上下表面所獲得的精加工毛坯，其內部殘余應力的分布，比不進行粗加工的毛坯內部殘余應力分布更均勻，應力值更小。而且粗加工毛坯厚度越厚，殘余應力值越小，分布越均勻。這也是為什么用經過粗加工的毛坯進行精加工，能減小工件變形的主要原因。

（3）在零件加工過程中，隨零件底板剩余厚度的不同，可以將變形過程分為變形增大過程和變形減小過程。在變形增大過程中，零件變形隨底板剩余厚度的減小而增加；在變形減小過程中，零件變形隨底板剩余厚度減小而減小。在這兩個過程中間，存在一個使零件變形最大的變形臨界點。這就提示我們，在進行加工時，在變形臨界點處應該采用工裝、合適的工具及減小切削量等，來降低零件的變形。

[1]楊永紅，等.飛機鋁合金薄板件對噴成形技術[J].電加工與模具，2008，(6)：69-72.

[2]孫 杰，等.航空整體結構件高效高精度加工關鍵技術研究（上）[J].金屬加工（冷加工），2008，(16)：26-28，32.

[3]王少紅，等.圓環薄壁板加工變形分析加工方案研究[J].機械設計與制造，2008，(5)：118-120.

[4]侯紅亮，等.先進鈑金成形技術在航空航天領域的應用（下）[J].金屬加工（熱加工），2008，(15)：50-51,74.