航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制研究

郭 磊

（哈爾濱市鑫華航空工業(yè)股份有限公司，哈爾濱 150066）

在數(shù)控加工航空薄壁結(jié)構(gòu)件之前，應(yīng)該在計算機(jī)輔助工程分析法的基礎(chǔ)上合理分析變形情況，同時對于影響加工過程的因素展開分析，以免出現(xiàn)零件變形現(xiàn)象。基于此，航空部門應(yīng)該針對結(jié)構(gòu)件變形現(xiàn)象制定應(yīng)對措施，對結(jié)構(gòu)件加以完善，確保飛機(jī)的整體性能。本文重點分析了航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制策略，希望能夠給予有關(guān)單位一定幫助。

1 航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形原因

航空薄壁結(jié)構(gòu)件在數(shù)控加工中出現(xiàn)變形情況是在所難免的，其變形模式十分不固定。通過分析結(jié)構(gòu)件變形時間、尺度及造成影響，區(qū)分了結(jié)構(gòu)件的變形種類，其主要包括結(jié)構(gòu)件局部變形、外形整體變形。結(jié)構(gòu)件局部變形主要產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)件加工和切削過程中，變形后的表現(xiàn)為局部彎曲或讓刀等，多發(fā)生于道具與工件的接觸位置。此外，航空薄壁結(jié)構(gòu)件剛性較弱，這也會導(dǎo)致零件產(chǎn)生局部變形，而且零件的局部尺寸存在差異，零件形貌也會稍微差一些。其次，零件外形整體變形后的表現(xiàn)為加工后出現(xiàn)扭曲、彎曲等現(xiàn)象，在放置較短時間后也會出現(xiàn)變形情況。發(fā)生這種情況的根本原因為：在材料完成切割后，本身的內(nèi)應(yīng)力會重新分配，加工時溫度也會發(fā)生變化，一旦放置環(huán)境發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)件外形就會隨之改變。除此之外，熱脹冷縮也是結(jié)構(gòu)出現(xiàn)外形整體變形的關(guān)鍵原因，在某種特定溫度下，如果加工過車間溫度、零件運(yùn)輸溫度及車間后期溫度無法保持一致，將無法解決熱脹冷縮問題。只有有效解決上述現(xiàn)象，才能對航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形問題進(jìn)行有效控制[1]。

2 航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制思路

針對航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形問題，可以在有限元分析技術(shù)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行探究，即以商業(yè)軟件ANSYS為基礎(chǔ)，全面評估變形、應(yīng)力之間的關(guān)系。另外，還應(yīng)該分析結(jié)構(gòu)線性、非線性行為以及瞬間動力學(xué)，充分掌握結(jié)構(gòu)與荷載之間的聯(lián)系。在建設(shè)結(jié)構(gòu)件模型時，應(yīng)該重點強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)部分，剩余部分可在實際結(jié)構(gòu)件的基礎(chǔ)上完成建模。實際上，模型一直處于最好的狀態(tài)，只有在這種情況下才能保證結(jié)構(gòu)件的安全性。對于弧形件而言，其剛度和平面剛度比較差，在加工過程中如果受到切削力和夾緊力，就會發(fā)生變形。從材料力學(xué)的變形理論進(jìn)行分析，材料在受到外力作用時會產(chǎn)生變形，而應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時，就會出現(xiàn)塑性變形。對于環(huán)形件而言，其徑向變形一般為橢圓，需要對以下內(nèi)容進(jìn)行分析：一是內(nèi)應(yīng)力，需要在結(jié)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力情況的基礎(chǔ)上分析加工變形規(guī)律；二是切削力，在數(shù)控加工過程及切削參數(shù)選擇下分析零件所受切削力；三是裝夾限制，在所選擇的裝夾位置下分析零件夾緊力[2]。

3 航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制策略

3.1 加工過程中的變形控制

加工零件在受到裝夾力、切削力作用時，就會發(fā)生變形，通過對變形現(xiàn)象分析，得出該種變形屬于彈性變形，在裝夾力、切削力消失后就會恢復(fù)到原來的形狀。但是，在加工過程中，刀具的切削位置和切削量會發(fā)生改變，導(dǎo)致零件表面出現(xiàn)變形、過切等問題，而在航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工過程中，彈性變形會導(dǎo)致出現(xiàn)很大的誤差。對于加工過程中出現(xiàn)的變形，可以采取以下措施進(jìn)行控制。

3.1.1 優(yōu)化數(shù)控加工切削參數(shù)

對于現(xiàn)階段的數(shù)控加工而言，切削參數(shù)的選擇一直影響著數(shù)控零件加工，在這種情況下，如果切削參數(shù)不合理，刀具嚴(yán)重磨損，結(jié)構(gòu)件表面殘余力會隨著切削力的增加而增加，同時加工質(zhì)量會急速下降，最終增加加工成本。所以，一定要對數(shù)控加工切削參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化和選擇。目前，切削參數(shù)的優(yōu)化包含很多種方法，其中以生物進(jìn)化理論為主的基因算法，可以實現(xiàn)多種參數(shù)的應(yīng)用，從而完成全局探索及優(yōu)化，該種算法已經(jīng)取得了非常好的效果。

3.1.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)件裝夾方案

結(jié)構(gòu)件變形控制中最關(guān)鍵的一項舉措就是優(yōu)化裝夾方案，對于工藝系統(tǒng)剛性的提供具有重要意義。

3.1.3 采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施

如果仿真加工后的結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形現(xiàn)象，可以采用數(shù)控補(bǔ)償程序進(jìn)行補(bǔ)償，對結(jié)構(gòu)件的變形程度充分考慮，在更加精準(zhǔn)的要求下完成結(jié)構(gòu)件加工變形補(bǔ)償。

3.1.4 切削技術(shù)的合理應(yīng)用

切削技術(shù)中的高速加工技術(shù)已經(jīng)成為人們重點關(guān)注的技術(shù)之一，加工系統(tǒng)在特定環(huán)境下會發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)變，切削力不斷減小，為航空薄壁結(jié)構(gòu)件的加工工作提供一定幫助。在上述情況下，結(jié)構(gòu)件表面殘余應(yīng)力、機(jī)械和熱應(yīng)力減小，真正促進(jìn)了航天事業(yè)的良好發(fā)展。

3.2 加工后的變形控制

航空薄壁結(jié)構(gòu)件在數(shù)控加工后仍然會發(fā)生變形，針對這種現(xiàn)象，可以通過以下手段予以解決。

3.2.1 科學(xué)使用預(yù)拉伸板材

如果結(jié)構(gòu)件對纖維流向沒有特殊要求，可以使用預(yù)拉伸板材。實踐表明，預(yù)拉伸板材內(nèi)部的殘余應(yīng)力比較小，在切削加工時不會發(fā)生嚴(yán)重的變形現(xiàn)象。在采用這種方法加工零件時，如果材料、加工成本都不增加，零件強(qiáng)度也會下降，因此需要按照實際情況采取相應(yīng)策略，防止航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工質(zhì)量受到其他因素的影響。

3.2.2 合理設(shè)置結(jié)構(gòu)件剛度

對于航空薄壁中的弧形零件，可以采用增加橫桿支撐的方式，有效防止加工過程中突發(fā)變形，直接影響數(shù)控加工效率。只有充分掌握結(jié)構(gòu)件的裝配要求、應(yīng)力狀況，才能對結(jié)構(gòu)件的剛度進(jìn)行合理選擇。

3.2.3 有效清理結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，真正提高設(shè)計水平

在結(jié)構(gòu)件設(shè)計要求下，應(yīng)該消除結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，這樣才能提升設(shè)計水平，有效控制因素影響、改變變形情況。例如，正常使用設(shè)備時，可以合理增加熱處理工序，從而對內(nèi)應(yīng)力引發(fā)的變形情況進(jìn)行合理控制[3]。

3.3 結(jié)構(gòu)件外形輪廓整體變形控制

航空薄壁整體結(jié)構(gòu)件的特點為，在加工過程中要消除很多材料，通過分析結(jié)構(gòu)件的截面形狀，發(fā)現(xiàn)其非常復(fù)雜，只有在材料加工過程中結(jié)構(gòu)件的宏觀應(yīng)力才能正確釋放。在實際工作過程中，如果內(nèi)應(yīng)力分配情況不同，那么結(jié)構(gòu)件的變形程度也會發(fā)生一定轉(zhuǎn)變。要想對內(nèi)應(yīng)力引發(fā)的航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工整體變形情況進(jìn)行控制，需要采用以下方法。

一是從原材料方面入手，要選擇應(yīng)力分布比較均勻的原材料。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件整體變形的原因為內(nèi)應(yīng)力，所以只有選擇內(nèi)應(yīng)力較為均勻的原材料才能進(jìn)行合理測量，才能有效避免整體變形情況的發(fā)生。二是在原材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行毛坯內(nèi)應(yīng)力的預(yù)釋放，可以根據(jù)實際情況選擇適當(dāng)?shù)姆椒āＨ茄芯咳藛T進(jìn)行仿真機(jī)實驗，會對航空結(jié)構(gòu)件的安全校正理論進(jìn)行分析，從而提出一個針對性較強(qiáng)的校正方法，實現(xiàn)航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制。

4 結(jié)語

隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，人們對其結(jié)構(gòu)件提出了較高要求，只有結(jié)構(gòu)件質(zhì)量有所保障，才能達(dá)到各類設(shè)備的生產(chǎn)要求。所以，在控制航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形時，要對其實際情況進(jìn)行分析，從加工中、加工后做好變形控制，進(jìn)而提高航空薄壁結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量。

[1]張麗.淺談航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的控制[J].工業(yè)設(shè)計，2016，（1）：143-145.

[2]孫麗敏，楊彬.航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形及其控制策略[J].科技與企業(yè)，2013，（16）：338.

[3]張烘州，戎斌，陳潔，等.航空鋁合金整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制現(xiàn)狀分析[J].航空制造技術(shù)，2012，（12）：58-61.