航空航天整體結構件新型校形技術研究現狀

陳 浩 曲中興 張立武

（西安航天動力機械廠，西安 710025）

航空航天整體結構件新型校形技術研究現狀

陳 浩 曲中興 張立武

（西安航天動力機械廠，西安 710025）

航空航天整體結構件加工變形問題制約著其應用的廣度和深度，在加工中或者針對成品進行校形處理是提高整體結構件形狀精度的有效手段。本文在分析整體結構件產生加工變形原因的基礎上，重點討論了電磁校形、激光校形、超聲波噴丸校形、蠕變時效校形、振動時效校形這幾種新型校形技術及其研究現狀。

整體結構件；加工變形；校形

1 引言

航空航天飛行器整體結構件以其大幅減少工件數目，降低裝配難度，提高制造質量，提升飛行器綜合性能等優勢得到了越來越廣泛的應用。然而，整體結構件因尺寸大、形狀復雜、變壁厚（最薄處<1mm）等特點，導致其制造加工工藝繁復，難度大，常常產生嚴重的加工變形。當變形量過大時，工件超差甚至報廢，嚴重影響著航空航天產品質量及交付進度，制約著整體結構件的應用，給航空航天制造業提出了新的挑戰[1，2]。

按照變形特點劃分，變形一般可分為彎曲變形、扭曲變形、翹曲變形。航空航天整體結構件變形多為各種變形的復雜組合，一般需要在加工后安排校形工序。目前，傳統的校形方法已無法滿足航空航天整體結構件的校形要求。鑒于此，為推動航空航天整體結構件的設計、制造與應用步伐，充分發揮整體結構件優勢，必須開展相關技術研究，以此確保航空航天結構件制造精度。因此，校形技術一直是航空航天制造業有關家學者的研究重點。

2 結構件加工變形產生的原因

結構件的加工變形問題，涉及坯料制備、切削加工和材料力學等多個學科領域，是航空航天產品制造加工中的主要瓶頸之一。引起加工變形的因素很多，主要包括坯料的性能、工件的尺寸形狀及剛度、加工工藝方法以及采用的加工設備等。根據相關研究，引起結構件加工變形的主要因素有以下幾方面[3～5]：

a.坯料初始殘余應力釋放與重新分布

坯料的成形往往要經過鍛、鑄、軋和熱處理等工藝，這些工藝或多或少的會引入一定的殘余應力，且其分布不均勻。在切削過程中隨著材料的層層去除，工件內部殘余應力釋放、重新分布，原有的內應力平衡破壞，為達到新的平衡狀態工件就產生了宏觀變形，根據研究若能將材料初始殘余應力水平降到足夠低的水平，工件的加工變形會顯著降低。

b.結構件材料的力學性能與結構特點

隨著航空航天技術的發展進步，結構件呈現出大尺寸、復雜形狀、幾何結構不對稱、薄壁曲面（最薄處<1mm）和整體結構的發展趨勢，這樣的結構自身剛度差，因此加工過程中容易產生較大變形。此外，有些材料彈性模量?。ㄈ玟X合金僅為鋼材的三分之一左右），屈強比大，在切削加工過程中極易產生“讓刀”和回彈現象，影響最終制造精度。

c.刀具對結構件的作用

切削加工時，刀具與結構件相互接觸，產生切削力和切削熱。切削力會引起工件的回彈變形，同時當切削力較大超過材料的彈性極限時，又會引起工件的擠壓變形；此外由于切削熱的作用，工件表層溫度迅速升高，而內部溫度卻很低，造成溫度不均勻分布，從而在切削表層產生應力，也加速了工件的變形。

d.結構件的裝夾

裝夾是影響結構件加工變形的又一個重要因素，尤其是整體結構、大尺寸、弱剛性薄壁設計的航空航天結構件，裝夾變形問題尤為突出，嚴重影響著結構件的加工精度。

除上述主要影響因素外，刀具材料、切削液、加工路徑等對加工變形也有一定影響。

3 新型鋁合金結構件校形技術

根據制造業的現狀，在現有的加工工藝水平下，僅僅通過加工工藝優化很難確保結構件的形狀精度，往往需要安排專門的校形工序。校形是提高構件成形精度的有效方法，傳統的校形方法主要有機械校形法、加熱校形法、冷作校形法等，但因其存在一定的局限性，應用范圍較窄[6]。隨著校形理論與校形技術的發展，人們探索出了越來越多的新型校形技術，如電磁校形技術、激光校形技術、超聲波噴丸校形技術、蠕變時效校形技術、振動時效校形技術等，相關研究還在不斷深入。

3.1 電磁校形技術

電磁校形技術，又稱磁脈沖校形技術，是在電磁成形技術（Electromagnetic Forming，EMF）的基礎上發展起來的，利用電磁成形原理，先將放電線圈放置于工件內，再將它們放置于校形模具內，如圖1所示。接通電源，線圈在高電壓的作用下產生強磁場，同時工件在感應電流的作用下也將產生強磁場，工件在兩磁場疊加形成強磁場力與工件感應電流共同作用，快速向外膨脹與校形模具貼合，完成校形[7]。

電磁校形技術是適用于導電性良好材料的一種非接觸的校形，工藝穩定性較好，零件貼模性好，彈性回復小，校形精度高，同時可以很好地改善材料內的應力分布狀態。

電磁校形精度主要取決于兩方面因素：校形模具和線圈[8]。校形零件最終要與校形模具相貼，其形狀精度至關重要；若線圈外形輪廓依據零件尺寸形狀設定，線圈緊貼著零件平行放置，兩者之間的距離都是相同的，則預校形的零件各個部位都能受到相對均勻的電磁力，這對提高校形精度極為有利[9]。除此之外放電電壓、放電次數對校形精度也有影響。

近些年，人們對材料在電磁作用下的行為研究取得了一些進展，圍繞板料、圓筒件開展了很多研究。于云程[10]等人根據純鋁和LF21管件端口電磁校形實驗研究，分析得出，放電電壓是影響校形效果的關鍵，增大放電電壓可提高校形效果；增加放電次數可解決放電能量低時變形小、貼模性差的問題；因力學性能不同，材料校形效果各異。張文忠[11]等人研究了鈹青銅波形彈簧磁脈沖校形工藝，結果表明，磁脈沖對鈹青銅波形彈簧有明顯的校形效果，提高了零件尺寸精度；校形后可提高波形彈簧的性能；校形后沒有給鈹青銅的組織結構帶來不利影響。之后劉賓[12]等人、張開[13]等人、胡建華[14]等人開展的研究也得出了相同的結論，驗證該工藝的可行性。

目前，人們還沒有完全理解電磁成形以及其如何影響材料的成形性，還沒有足夠充足的知識指導該技術在工業中的應用[15]。

3.2 激光校形技術

激光校形技術是近些年出現的一種新型柔性校形工藝方法，通過激光器產生一定強度的激光束，并以特定路徑掃描工件上的待校形區域，該區域在激光的熱效應作用下，溫度迅速提升，增加該區域材料的塑性變形能力并降低其屈服強度，促進彈性內能做功，校正工件的加工變形，提高變形工件的形狀精度[16]。

關于激光校形技術的研究，到目前為止仍不多見。最早德國學者Geiger M等在汽車零部件、船舶的船板及焊接件上進行了應用試驗。Takashi Ueda[17，18]等人采用試驗及數值模擬對3種典型突起進行了研究，簡單分析了激光校平的機理，得出了激光校平時激光功率和掃描路徑對校平結果的影響規律，校平時凸表面的激光輻照與凹表面的激光輻照相比更有效，且隨著激光掃描次數的增加，可改善板料校形效果。我國學者宋文榮[19，20]等人應用激光校形技術對繼電器的簧片氣隙進行校正試驗，結果表明該方法是可行的，且不影響簧片的機械壽命性能，在合適的激光功率與時間參數下可實現滿足生產的校形。夏寒劍[21]采用有限元模擬和正交試驗相結合的方法，以1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板料的簡單彎曲為研究對象，進行激光校形試驗，得到各因素對校形效果的影響規律，并獲得了最優方案。王秀鳳[22]等人針對鋁合金薄壁件進行的激光校形試驗也驗證該技術的可行性，且校形效果與工件材料和厚度有關。

王秀鳳[23]等人認為，激光校形的原理不同于激光成形，主要原理是采用最優的激光校形工藝參數，精確釋放待校形工件上變形區域的彈性勢能，降低內應力大小與改善其分布狀態，從而提高零件校形部位的形狀精度。根據相關研究，影響激光校形精度的主要因素如圖2所示。

該方法屬于非接觸加工且不需要模具，柔性大，不受加工環境、工件尺寸的限制，適用于解決航空航天復雜整體結構件加工變形；生產周期短，激光束的掃描花費時間不多，校形精度高，有廣闊的應用前景，值得深入研究。為實現更好的工程化，還需深入研究激光校形機理，明確各因素對激光校形精度的影響規律。

3.3 超聲波噴丸校形技術

超聲波噴丸校形技術是利用超聲波產生的高頻沖擊波，通過彈丸或撞針等介質作用于金屬材料表面變形區域，校正成形誤差的技術[24]，基本原理如圖3所示。該技術是在傳統噴丸校形和超聲波應用研究的基礎上形成的。由于超聲波噴丸的過程非常復雜，同時相關的理論也不完整，所以目前對超聲波噴丸的機理分析還未得到非常完整的解釋，關于超聲波噴丸的研究更多地集中在金屬材料的表面強化處理方面，目前關于超聲波噴丸成形及校形方面的研究較少。

法國SONATS公司從1996年開始，對超聲波噴丸技術進行了大量研究，已開發出一套超聲噴丸技術（STRESSONIC）及其相應的超聲波噴丸自動化設備,并將其應用于機翼蒙皮局部校形，校形效果明顯（如圖4所示）[25]。Polytechnique[26]等人采用超聲波噴丸校形技術對渦輪發動機空心軸進行校形研究，結果表明，采用該技術技術能夠實現空心軸校形。此外KSA公司、美國Integrity Testing Laboratory公司進行了很多數控超聲波噴丸設備的研究。我國在超聲噴丸技術領域的起步比較晚，但近些年也取得了較大的發展，其中，南京航空航天大學超聲波噴丸技術課題組開展了大量超聲波噴丸理論和應用方面的研究，針對鋁合金板料進行了很多校形試驗，取得了一定成果。如，陳星[27]研究了2024鋁合金板料超聲波噴丸校形，結果表明該技術對板料的單曲率曲面變形的校形具有很好的可行性。同時得出了電流強度、噴丸時間和撞針直徑等工藝參數對校形效果的影響規律。郭超亞[28]針對2024鋁合金板進行了數控超聲波噴丸校形研究，效果十分顯著，并得出隨進給速度、噴丸軌跡間距、噴丸電流的增大校形量先增后減，噴丸區域寬度增加校形形量增加，而初始變形量對可校形量影響很小的結論。

超聲波噴丸校形技術是一種高效的綠色校形技術，其設備輕巧、易實現自動化，可提高校形零件的綜合機械性能和疲勞壽命，適用性強且耗能低，在航空航天領域具有廣闊的應用前景。跟國外發達國家相比，國內在工藝技術和相關設備研究方面均處在初期，距離工程化應用還有很長一段距離。

3.4 蠕變時效校形技術

蠕變時效校形技術是將人工時效與構件機械校形相結合，主要利用在彈性應力作用下材料于較高溫度下（人工時效溫度左右）的蠕變變形及應力松弛行為，降低構件內應力，同時達到校正構件變形的目的[29]。

采用該方法進行校形后，可有效減小構件內部的應力，使內應力分布均勻，提高構件尺寸穩定性，降低后續的加工、存放及使用過程中再次發生變形的風險；同時該校形方法還具有生產投資少，不需要專門設備，可采用零件熱處理設備；可重復性較高，對工件形狀限制較少，校形所需載荷低；校形精確度高，可改善零件材料的性能等優點。

蠕變時效校形技術是在蠕變時效成形技術（Creep aging Forming，CAF）及熱校形技術的基礎上開始的研究，一般包括3個階段[30，31]。

a.施加載荷階段。常溫條件下,以一定的方式向金屬工件施加載荷使其產生彈性變形,并將其固定在特制的模具上。

b.時效階段。將帶校形工裝的零件放入加熱爐內，加熱到特定溫度保溫一定時間，材料在此過程中會產生蠕變及應力松弛。

c.卸載階段。在保溫結束待零件和工裝冷卻至室溫后，去掉工裝的約束，工件產生回彈，獲得所需外形。

根據國內外研究，確定合適的蠕變時效校形工藝參數（時效時間、時效溫度、預應力）是一個多次嘗試縮小范圍的過程，需根據材料的蠕變、應力松弛性能參數和時效參數，利用有限元模擬技術及相關試驗確定較為優化的工藝參數[31～33]?；貜梿栴}一直是蠕變時效校形的關鍵，校形結束后往往存在一定回彈量，影響校形效果。因此，在應用蠕變時效校形工藝時，只有準確預測回彈量，將回彈量補償到模具表面上，才可獲得所需的零件形狀[34，35]。但該問題一直沒有得到很好的解決。

近年來我國圍繞蠕變時效技術上開展了很多研究，如中南大學湛利華團隊[36～38]，在材料的蠕變時效行為、工藝參數對材料蠕變時效成形性影響規律以及回彈補償方面均做了很多工作，取得了很大成果。沈陽航空航天大學韓志仁[39，40]等人發明了一種專門的蠕變時效校形裝置，裝置簡單，校形效果良好，適用于批量生產。但由于開始研究的較晚，很多方面研究不夠深刻，距工程化應用還需進一步研究。

3.5 振動時效校形技術

構件的變形往往和應力集中有著很大的關系，基于應力松弛的熱時效校形方法已應用于航空航天工業[41]。與熱時效相比振動時效（Vibratory Stress Relief，VSR）降低構件殘余應力的效果更佳，同時振動時效技術還具有環境友好、高效節能，生產周期短，且對零件沒有形狀與尺寸限制的優點[42]，因此越來越受到人們的重視。

圍繞振動時效技術有關學者開展很多研究，振動時效技術已由最早的亞共振時效發展到高頻振動時效、頻譜諧波振動時效。振動時效主要應用于降低結構件材料內部殘余應力，在國內外航空航天制造業已普遍應用。關于振動時效校形的研究較少，振動時效校形技術，是將變形零件約束在特制的校形夾具中，通過強力激振器的作用使零件產生振動，當振動產生的應力與材料原有殘余應力相疊加，應力幅值大于材料的屈服強度時，材料屈服產生塑性變形，從而材料殘余應力均勻化且應力峰值減小，實現一定程度的校形的工藝方法[43]。

瞿峰、李兵[44]將振動時效技術應用于殼體產品端面圓度校形，取得了不錯的校形效果，根據研究成果，發明了一套專用的振動時效校形裝置。首都航天機械公司將振動時效技術應用于Φ5000mm鍛造鋁合金大型環框生產，經振動時效后，產品的圓度及平面度均得到了較大的提高，如半精加工后經振動時效圓度由0.2mm提高至0.8mm，平面度由0.04mm提高至0.25mm，可完全滿足后續加工、裝配的要求[45]。

姜亦濤、孫杰[46]等人對產生彎曲變形的鋁合金梁和隔框，在校形夾具的約束下進行振動時效試驗，結果表明振動時效在消除工件殘余應力的同時，可對變形工件得到一定程度的校形，同時二次振動時效對工件校形效果影響不大。

綜合上述研究，振動時效可對構件產生一定的校形效果，可作為一種輔助校形技術，在整體結構件分步校形過程中或最終校形后引入振動時效技術有很大價值。

4 結束語

隨著科學技術的飛速發展，很多新型技術被應用在結構件校形中，校形技術呈現出多元化的特點，雖然很多研究還處于初期，還有很多技術難題需要攻破，距離工程化應用還有相當長的一段路程。但因其先進性及制造業的迫切需要，這些技術終將日益完善，在航空航天制造業中大量應用，為提升航空航天制造業水平發揮重要的作用。

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Research Status of New Correction Technology of Aerospace Monolithic Component

Chen Hao Qu Zhongxing Zhang Liwu
(Xi’anAerospace Power Machine Factory,Xi’an 710025)

The machining deformation of aerospace monolithic component restricts the extent of its application. Increasing correction process during manufacturing or for the finished products is an effective means to improve the shape precision of the monolithic component.In this paper,the reasons for the machining deformation of components are expounded,the new types of correction technology such as electromagnetic correction,laser correction,ultrasonic shot peening correction,creep aging correction,vibration aging correction and its research status are discussed.

monolithic component；machining deformation；correction

陳浩（1990-），碩士，材料科學與工程專業；研究方向：金屬材料成型技術。

2016-11-22