整體薄壁結構件數控加工變形控制技術進展

□繆偉民

航天特種材料及工藝技術研究所 北京 100074

隨著現代航空器高速、高機動性能要求的不斷提高，航空器越來越多地采用整體薄壁結構件，這是現代飛機、航天器領域的一個革新。整體薄壁結構件質量輕，在剛度、抗疲勞強度，以及各種失穩臨界值等方面均比鉚接結構勝出一籌。然而，在整體結構件的數控加工過程中，常因毛坯初始應力、結構不對稱性、加工工藝不完善、裝夾不合理、加工過程切削力和切削熱等因素的影響，導致整體薄壁結構件產生彎曲、扭曲及彎扭組合等加工變形，薄壁結構還會產生失穩現象，嚴重影響了整體薄壁結構件的生產效率和最終產品精度。可見，對整體薄壁結構件加工制造技術需要有更高的要求。

筆者以整體薄壁結構件為研究對象，從有限元仿真變形預測與控制、高精度加工裝夾具優化、材料與工藝優化等方面進行闡述，總結了相關技術研究進展和相應的解決措施，為實現整體薄壁結構件高效高精度加工提出可行的技術方法，供實際生產參考、借鑒。

1 有限元仿真變形預測與控制

整體薄壁結構件結構復雜，尺寸大，在加工過程中常因復雜的動態熱耦合作用而導致加工變形，因此加工變形預測與控制是整體薄壁結構件制造工藝研究的一個關鍵問題。近年來，隨著計算機技術及數值計算理論與方法的飛速發展，有限元仿真技術開始在切削加工工藝理論研究中得到廣泛應用。相對于試驗研究和理論分析，有限元仿真技術能夠節省大量時間和成本，并能夠獲得通過試驗難以得到的物理力學參數，如應力、應變、應變率和溫度等，因而采用有限元仿真技術研究和解決整體薄壁結構件數控加工變形問題成為當前研究的一個熱點和重要方向。

1.1 受毛坯初始殘余應力影響的加工變形預測與控制

通常機加工零件變形包括彈性變形、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。殘余應力指在無外力作用時，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，產生的原因為不均勻的塑性變形，已發生塑性變形部分與未發生塑性變形部分互相牽制而形成彈性應力場。在切削加工中，由于零件材料的去除打破了原有殘余應力的平衡，從而引起零件變形[1-2]。

人們對殘余應力的影響及變形預測進行了大量研究。余偉[3]應用有限元軟件集成了數控加工過程有限元仿真模塊，分析了毛坯初始殘余應力對零件整體加工變形的影響。孫杰等[4]在對整體結構件加工變形問題的研究中，通過有限元模擬研究，發現毛坯初始殘余應力對隔框零件整體加工變形起主要影響作用。王樹宏[5]綜合考慮毛坯初始殘余應力、裝夾條件和銑削力等因素的影響，建立了多因素耦合影響的銑削加工變形有限元分析模型，并將其應用于實際框類零件銑削加工變形的預測分析。

1.2 加工過程中變形預測與控制

文獻[6-7]針對鋁合金材料7050-T7451和鈦合金材料的高速銑削加工，基于大變形理論和虛功原理，建立了切削加工過程的三維熱-彈塑性有限元模型，利用這一模型對鋁合金材料的高速切削加工過程進行了有限元模擬，分析了高速切削加工過程中切屑的形成過程及其形貌、三維銑削力的變化情況，以及應力、應變、切削溫度及已加工表面殘余應力的分布規律。采用所建立的有限元模型，可進一步對加工參數的優化進行研究，以提高加工質量和加工效率。

尚鈺淇[8]對管類薄壁零件加工裝備的銑頭部分進行了靜態和動態特性分析，并通過試驗對銑頭做了模態分析，確認在實際加工中對變形量影響較大的因素，并同時從工裝夾具、工裝方式和機械加工裝備等角度對大型薄壁件的加工變形進行了分析，分析結果對實踐有重要指導意義。此外，利用數值仿真模型對火箭大噴管直槽立式加工所產生的變形進行了分析，得出此類加工變形的主要特點，分析了邊界約束條件、胎膜接觸面大小等因素對加工變形的影響規律，對于管類薄壁零件的快速加工具有理論參考價值和實際指導意義。

胡創國[9]提出了整體薄壁結構件加工彈性變形誤差的預測與補償方法，介紹了加工表面靜態誤差的預測與補償總體方案，應用有限元模擬技術，結合切削力模型迭代求解各個刀位點處的彈性讓刀變形量，從而修正原始數控刀具軌跡代碼，達到消除加工變形誤差的目的。宋戈[10]通過研究發現，在整體薄壁結構件加工過程中，刀具撓度變形對加工表面產生讓刀誤差有比較顯著的影響。其借助材料力學撓度疊加原理，通過各個方向撓度向量的疊加，構建了切削載荷條件下整體刀具沿特定方向撓度變形的理論預測模型。通過分析刀具撓度變形和結構件彎曲變形對刀具-結構件接觸副的耦合作用規律，構建了以刀具-結構件變形為反饋的整體薄壁結構件銑削加工表面讓刀誤差及切削力柔性預測系統。

盡管采用有限元仿真技術能夠對整體薄壁結構件加工變形進行預測，但是由于模擬中材料模型與實際結構件材料的物理屬性不能很好吻合，而且在建模過程中進行了某些簡化，無法全面考慮周圍環境的影響，如溫度、機床振動、刀具磨損等，因此有限元模擬結果和實際變形情況仍有較大差距。此外，在仿真過程中，摩擦模型及材料斷裂準則與實際情況也存在一定偏差。

2 高精度加工裝夾具優化

夾緊力是影響整體薄壁結構件變形的一個重要因素，結構件在機床上的裝夾精度對加工精度有重要影響，20%～60%的加工誤差是由裝夾引起的。裝夾具的剛度和穩定性直接影響結構件的加工尺寸和形狀誤差，尤其是對弱剛度結構件，夾緊力引起的變形更不容忽視。通過調整夾具元件的位置或添加必要的夾具元件，能夠達到減小變形的目的。隨著對整體薄壁結構件加工精度要求的不斷提高，對裝夾方案的優選研究逐漸受到重視。

周小兵[11]對整體薄壁結構件裝夾變形作了分析研究，使用有限元仿真作為分析和計算變形的方法，提出了針對整體薄壁結構件裝夾方案的設計原則，以及控制裝夾變形的方法:① 采用子問題優化方法，對裝夾方案中的裝夾位置進行優化，以得到各裝夾位置點的最優匹配，從而減小裝夾變形；② 采用符合變夾緊力相關曲線的力來夾持結構件，并求解出典型零件在典型裝夾方案下的變夾緊力相關曲線。

秦國華等[12]系統地提出了分析與優選夾緊力大小、作用點及夾緊順序的通用方法，基于由摩擦力引起的接觸力依賴性的特點，定量分析了多重夾緊元件及其作用順序對整體薄壁結構件變形的影響，并建立了裝夾方案的數學模型，同時提出基于最小總余能原理的有限元求解方法。此外，針對7075鋁合金航空材料整體薄壁結構件，進行基于夾緊方案的結構件變形有限元仿真與模擬，模擬結果顯示，夾緊力大小、作用點及夾緊順序對結構件變形具有重要影響。

裝夾方案的優選在整體薄壁結構件加工中尤為重要，需要進一步開展對整體薄壁結構件跟蹤刀具軌跡智能裝夾系統和應力均布裝夾系統的研究，這些工作在理論和實踐中仍需繼續加強。

3 材料與工藝優化

何志英等[1]通過對大型整體薄壁結構件的加工過程進行變形、殘余應力分布分析及試驗，得出以下結論：①在將加工分為粗加工和精加工兩個過程時，若精加工毛坯定位取粗加工毛坯的中心部位，則可以有效減小加工后的變形，且粗加工毛坯厚度越大，結構件最后的變形越小；②經過粗加工去除上下表面所獲得的精加工毛坯，其內部殘余應力比未進行粗加工的毛坯分布更均勻，應力值也較小，且粗加工毛坯厚度越大，殘余應力值越小，分布越均勻；③ 在結構件加工過程中，隨零件底板剩余厚度的減小，可以將變形分為變形增大和變形減小兩個過程，在這兩個過程中存在一個使結構件變形最大的變形臨界點，在這一變形臨界點處應采取有效措施減小結構件的變形。

王志剛等[13]根據ANSYS有限元分析結果，提出在精加工數控編程時，使刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加一個偏置，補償因變形而產生的讓刀量，這樣可大幅減小讓刀誤差。文獻[4，9]在給定毛坯初始殘余應力和裝夾的條件下，利用有限元仿真技術模擬了不同銑削加工走刀路徑對航空框類零件加工變形精度的影響，仿真結果表明，采用雙面環切工藝有利于保持銑削表層殘余應力始終處于平衡狀態，能夠較好地解決加工過程中整體薄壁結構件的扭曲變形問題，顯著提高型面的加工精度。此外，通過采用雙面銑削工藝，使薄壁葉片葉尖區域沿厚度方向的最大數控加工誤差相比采用單面銑削工藝降低一個數量級。

張尚安等[14]對多個腔體的整體薄壁結構件采用先保證腹板尺寸，再加工筋、肋結構的方法。對于腔體比較單一，中間加強肋較少的變形控制，還要按需增加工藝凸臺等加強結構，以對腹板起到加強作用。

另外，對于航空航天結構件制造中常采用的鋁合金、鈦合金材料，因為材料內應力大、變形傾向大，所以在進行粗加工后可按需要適當增加自然時效或人工時效工序，待應力有效釋放后再進行精加工。

4 結束語

整體薄壁結構件數控加工變形是切削加工過程中毛坯初始殘余應力、切削過程中熱應力和機械應力，以及裝夾應力等耦合作用的結果，盡管開展了切削加工過程變形預測與控制、裝夾具、材料、工藝優化等方面的研究，但所進行的研究工作大多是獨立進行的，因此還需要開展綜合考慮切削載荷與裝夾應力的研究。此外，工藝規劃和數控編程技術在整體薄壁結構件加工變形控制中也起著非常重要的作用，需要重點關注。