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(yè)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(xué)院成都文獻情報中心，四川成都610041）

現(xiàn)代航空工業(yè)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(jié)構(gòu)件。盡管整體薄壁件在航空工業(yè)中有著諸多的優(yōu)點，然而多年來整體薄壁結(jié)構(gòu)件的加工變形問題，一直困擾著航空工業(yè)，目前在大型復(fù)雜構(gòu)件加工工藝研究方面，還顯得很不深入。變形規(guī)律尚未掌握，針對減小變形的系統(tǒng)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(chǎn)中的技術(shù)難題。大型整體薄壁零件的數(shù)控加工變形問題，已經(jīng)成為幾乎所有飛機廠型號研制與生產(chǎn)的極大障礙。這一落后狀況，嚴重限制了我國國防工業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展，這一技術(shù)難題如不盡快攻克，勢必直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量、生產(chǎn)進度和市場競爭能力。當(dāng)今，中國正在發(fā)展民族航空業(yè)，如大運、大客、ARJ飛機，在這些新型的民用飛機的設(shè)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(yīng)工藝措施的理論，對于提高我國航空、航天工業(yè)的發(fā)展水平，不僅具有重大的理論意義和工程應(yīng)用價值，而且也是提高我國制造業(yè)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(yīng)力變形。其中殘余應(yīng)力為引起加工后零件變形的主要原因。殘余應(yīng)力，是在無外力的作用時，以平衡狀態(tài)存在于物體內(nèi)部的應(yīng)力。殘余應(yīng)力是內(nèi)應(yīng)力的一種，其產(chǎn)生的原因為不均勻的塑性變形，是已發(fā)生塑性變形部分與未發(fā)生塑性變形部分，互相牽制形成的彈性應(yīng)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(yīng)力的平衡，從而引起零件的變形。

2 加工零件及毛坯狀態(tài)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(jù)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(chǔ)上加工；粗加工毛坯的高度大于21 mm，根據(jù)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(yīng)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(nèi)部殘余應(yīng)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(jié)果分析

3.1 變形結(jié)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(shù)值上有差異，而且變形發(fā)生的位置也不同。方案Ⅰ零件Z向變形主要表現(xiàn)為長邊端部翹起。而方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ零件的Z向變形，主要表現(xiàn)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(jié)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(yīng)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(yīng)力分布比較均勻，數(shù)值也比較小。

3.2 殘余應(yīng)力分布

通過檢測方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ經(jīng)過粗加工后精加工毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)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(nèi)部殘余應(yīng)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(nèi)部的殘余應(yīng)力分布更趨均勻，殘余應(yīng)力數(shù)值也大為減小。但經(jīng)過粗加工之后毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力分布的方向改變，方案Ⅰ毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力表層為壓應(yīng)力，中心為拉應(yīng)力；經(jīng)過粗加工后的方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表層為拉應(yīng)力，中心為壓應(yīng)力。可以認為經(jīng)過粗加工之后毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力在數(shù)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(yīng)力沿厚度分布圖

圖6b 方案Ⅱ毛坯殘余應(yīng)力沿厚度分布圖

圖6c 方案Ⅲ毛坯殘余應(yīng)力沿厚度分布圖

圖6d 方案Ⅳ毛坯殘余應(yīng)力沿厚度分布圖

3.3 零件變形隨切削深度變化結(jié)果分析

對方案Ⅰ毛坯進行加工時，發(fā)現(xiàn)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(yīng)該和零件的剛度有關(guān)。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(dāng)?shù)装搴穸壤^續(xù)減小，零件的剛度繼續(xù)減弱，越過一個臨界點（如此例中底板厚度為6 mm時），零件變?yōu)槿鮿傂裕藭r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(jié)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(yīng)力分布的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在加工薄壁整體結(jié)構(gòu)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(jīng)過粗加工去除上下表面所獲得的精加工毛坯，其內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布，比不進行粗加工的毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力分布更均勻，應(yīng)力值更小。而且粗加工毛坯厚度越厚，殘余應(yīng)力值越小，分布越均勻。這也是為什么用經(jīng)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(yīng)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。

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