大型飛機整體壁板板坯數控加工延展變形分析及控制

中航飛機股份有限公司 彭艷敏

飛機機翼整體壁板是現代軍用、民用飛機的關鍵結構件，而大型飛機整體壁板成形技術則是飛機制造的關鍵技術之一。整體壁板是由厚蒙皮和長桁等骨架零件組成的一個整體具有強度重量比高、總體和局部穩定性好、疲勞壽命長、外形準確以及表面光滑等的特點，使其成為現代飛機普遍采用的高效率結構，也是影響戰斗機綜合性能的主要關鍵部件。壁板類零件屬于薄壁零件，在數控加工時，容易因強度剛性不夠產生導致變形，且零件長度較大，更容易將零件變形擴大。

一、整體壁板制造流程

整體壁板目前最常用的加工流程是先將整體壁板產品數模在三維工程CAD軟件中進行展開計算，建立整體壁板板坯工藝數模，然后采用NC數控機床加工出壁板板坯，最后采用噴丸工藝將其成形到飛機氣動所要求的形狀。

圖1為大型飛機機翼整體壁板的制造流程示意圖，與傳統的直接采用五坐標數控機床進行加工的方法相比，這種方法具有明顯的優點：使用的預拉伸板料毛坯較薄，切削量相對較小，銑削加工設備只需要三坐標數控機床即可；噴丸成形后附帶的強化工藝，可以大幅度的增強機械加工剝離金屬后微觀上的組織缺陷并預留殘余壓應力，從而能夠極大的提高零件的抗疲勞特性。在實際生產中普遍采用這種方法從而節省數控機床資源和避免材料浪費，因而具有成本低、零件表面質量優異等優點。

圖1 大型整體壁板數控加工工藝流程示意圖

二、整體壁板板坯數控加工延展變形產生原因

與大型整體壁板制造相關的應力包括：毛坯殘余應力、加工應力、裝夾應力等。如圖2所示，在機械加工過程中，在數控加工過程中，由于切削力及切削熱等因素共同作用于零件，使得零件內部的應力平衡被打破，導致零件在加工過后必然要回復應力平衡狀態而釋放殘余應力，從而導致零件變形。

◎ 加工過程中，毛坯初始應力平衡狀態被打破，新的應力重分布導致工件變形。

◎ 切削加工過程中，在機械載荷與熱載荷綜合作用下產生的加工應力導致工件變形。

◎ 另外還存在裝夾應力、環境溫度變化引起應力等。

三、整體壁板板坯數控加工延展變形數值計算

殘余應力是在無外力作用時，以平衡狀態存在于物體內部的應力。整體壁板為薄壁零件，剛性較差，加工材料的去除率高，通常為40%～60%。刀具切削過程中的切削力、摩擦力影響零件表層狀態，刀具切削的過程會使金屬表面的晶粒狀態發生變化，產生切削熱以及表層應力，在達到一個新的平衡狀態時造成零件變形。壁板加工表面產生拉應力，而材料內部產生殘余壓應力。殘余內應力對變形影響往往是最明顯的因素，鋁合金零件切削加工的殘余應力層深度一般在0.4～0.5mm之內，由外向里遞減。

假設整體壁板展開板坯的典型截面的平均厚度為t，最大厚度為tmax，最小厚度為tmin，圖3為C919外翼下中壁板板坯模型的典型截面。

圖3 壁板板坯典型截面示意圖

壁板機械加工切削沿翼展方向的應變為Δε，塑性變形層深度為Δt，切屑應力為σc，彈性模量E，塑形變形層面積為Aout，單位截面的殘余應力層面積為Ain，壁板截面之間的單位長度Li，截面零件平均厚度t，截面零件平均寬度b，如圖4所示。

圖4 截面參數說明

當b≥t時，截面兩側的面積可以忽略，圖5為簡化后的截面。Ain=t·b，Aout=2Δt·b。

圖5 簡化截面參數說明

取塑性變形層深度Δt=0.4-0.5，切屑應力為σc=50-80MPa，壁板材料的彈性模量E=72000MPa。通過式（2）得出整體壁板板坯數控切削加工延展變形量，如表所示，圖6為切削延展變形量最大、最小趨勢圖。

表 整體壁板板坯數控切削加工延展變形量（部分數據）

圖6 壁板數控切削加工延展變形量

四、整體壁板切削加工延展變形試驗驗證

通過整體壁板板坯數控加工完后，無約束狀態，測量標定點的坐標值，對比板坯數模，得到數控加工延展變形量，圖7為下后壁板肋位及測量點分布示意圖。

圖7 壁板板坯肋位測量點分布示意圖

整體壁板數控加工延展變形試驗條件。

◎ 測量對象：整體壁板數控完成后將放置在標準工作平臺，無約束狀態下放置3天左右，目的是為了去除數控加工過程中產生的殘余應力。

◎ 測量設備：激光跟蹤儀。

◎ 測量方法：利用壁板最近端、最遠端的兩個定位耳片孔及底平面作為測量坐標系，圖8為整體壁板板坯測量坐標系示意圖，整體壁板放置工作平臺，用沙袋壓平整體壁板。

◎ 測量內容：整體壁板板坯肋位置基準孔坐標值、外形線坐標值、測量環境（溫度、濕度）等。

圖8 整體壁板板坯測量坐標系示意圖

將壁板的測量數據導入機加坐標系，計算肋位處延展變形量，圖9為整體壁板肋位處延展圖。

圖9 整體壁板板坯數控加工肋位處延展量分布

由整體壁板數控加工延展數值計算與圖9肋位延展量測量數據對比得出：激光測量數據除因測量方法、人為因素導致數據個別肋位測量數據偏差較大以外，最終測得的壁板總延展變形量與數值計算的結果基本吻合。

五、整體壁板加工變形控制策略

1.調整加工余量分配、盡可能將最終變形控制到最小

通過控制銑平面余量能夠在一定程度上控制零件的變形。其次是加工過程中余量的分配。從理論上說，粗加工盡可能去除更多的余量，所有可能引起變形的部位在粗加工階段都要加工出來，充分釋放變形，才能保證最終的零件變形是最小的，但又必須保證精加工有足夠的余量。

2.采用應力分割槽及時釋放內應力，減小最終變形

在加工過程中采取措施釋放內應力是最有效的變形控制方法之一。這種變形控制方法的原理，就是在零件加工的初期，破壞工件抵抗變形的剛性，使得加工應力在加工的最初階段得到很好的釋放，達到控制變形的效果。通過在壁板零件加工過程中設置應力分割槽，釋放零件加工中產生的應力變形，便于壁板零件的裝夾吸附，如圖10所示。

圖10 整體壁板應力分割槽

3.數控加工走刀策略對變形的影響

數控加工策略，即針對具體加工特征的走刀方式對變形程度也有很大影響。例如，在粗加工中，等高線加工方式是一種高效粗加工切削模式，即按照Z向等高逐層遞減的模式等余量切削去除材料，適合于高速銑削場合，有利于應力的均勻釋放。對稱加工方式比傳統的順序加工方式更有利于減小變形，即加工中以對稱方式加工各區域。

4.優化刀具切削參數，最大限度減少加工中衍生在工件表面的切削應力

切削加工過程中，由于力或熱的作用，使工件表面產生塑性變形，也會產生內應力，并在加工后出現變形。切削參數的選擇會直接影響變形控制效果，不合理的切削參數會導致切削力過大，刀具磨損嚴重，零件表面殘余應力增加，影響變形。采用高速切削技術是減小加工變形的有效措施。

六、結語

在飛機整體壁板的數控加工中，通過加工延展變形產生原因、延展變形的數值計算和試驗驗證，解決了零件的加工變形問題，從而可以控制零件的加工精度，對類似整體壁板數控加工提供了很好的借鑒作用，能夠有效提高壁板類零件的加工質量和批量生產能力。特別是對飛機整體壁板類的大型壁板的加工， 降低延展變形的不確定性、縮短壁板研制周期和降低成本，具有一定的指導意義。