航空鋁合金結構件數控加工變形及控制

閆琦

【摘 要】 鋁合金整體構件都具有其壁薄、體積大、剛度差和易變性的特點，這就導致了其在加工時加工周期長、切削加工余量大和加工精度難控制的缺點。而目前大型商用客機由于性能要求的提高，對于飛機的整體腹板、整體梁和長緣條等部分的制造加工要求也越來越高。這就要求擁有更細致和更可靠的控制鋁合金加工變形技術。

【關鍵詞】 航空鋁合金 結構件 數控加工變形 控制

鋁合金的耐蝕性好、密度較小、有較好的成形性、而且其資源豐富、數據充分、成本不高，性能也在逐年不斷地提高。航空整體結構件數控加工變形的問題涉及到了材料成型加工、力學、機械制造以及切削加工等多個學科領域。對飛機零件進行薄壁化設計可以有效地控制飛機的重量，結構的整體化可以大大的影響生產效率和制造的成本，還可以減少零件的數量以及連接裝配的工作量，因此我們應該重視切削加工工藝的提高，不斷地創新和優化其加工工藝，進一步控制大型整體結構件加工過程中的變形。

一、航空鋁合金結構件數控加工變形的現狀

隨著經濟的發展和時代的進步，一些現代大型的商用客機對于性能的要求也在不斷地提高，普遍的采用了直接掏空那些整塊的大型的毛坯，然后加工成復雜的整體結構，如一些減輕孔、筋條、槽腔等，此種方法多運用于大部分骨架零件尤其是主承力結構件上。但是由于結構件加工的整個過程周期比較長，加工的精度和質量都很難控制，切削加工時易受到一些因素的影響從而產生變形，因此當前航空制造業所面臨的一個重要難題就是實現高效率、高精度和高可靠性的切削加工。航空制造業對于零件的質量和精度要求都非常高，它對于形位的誤差以及加工的精度甚至比汽車制造業要高出許多，雖然航空所用的鋁合金材料具有較好的切削性，但對于航空鋁合金的高效切削加工研究也是目前面臨的一個焦點問題，解決大型航空整體結構件的關鍵技術是高效加工的工藝，也就是切削工藝優化與高速加工技術的有效結合。所謂的高效加工技術即為了保證加工的精度以及便面的質量從而在加工過程中運用短而有效的單件加工時間和高材料去除率，而其中高效的切削技術是實現高效加工工藝的關鍵技術。

二、影響航空鋁合金結構件加工變形的主要因素

就目前情況來看，在整體的加工過程中存在了很多的問題，它在選擇加工參數的時候比較保守，從而出現一些不合理的狀況，而且在確定加工工藝的時候缺乏了一些相關理論研究的支撐，在確定加工工藝的時候是在以往經驗的基礎上運用了試切的方式，這種方法降低了結構件加工的效率，使高速加工中心的性能不能得到充分的發揮。從鋁合金結構件數控加工過程中存在的問題深入研究分析，進一步總結出了引起整體結構件加工變形主要分為三個方面的因素。

1、加工參數的不合理

目前的航空構件制造業在材料加工過程中，由于對于力學、機械制造和切削加工等多種不同科學領域的涉及，導致了加工理論研究難度的加大，很難進行系統性的控制加工變形理論研究和切削加工時變形的理論分析。在這種情況下，航空構件的加工只能采取試切的態度，對于加工參數的選擇就會十分保守。高速加工中心無法進行最有效的加工，很容易引起切削顫振，切削顫振會直接導致構件的薄壁部位變形。

（2）切削力的副作用

據物理學理論分析，在金屬材料的加工過程中，在切削力的作用下，零件的加工表面會產生殘余應力，這種殘余應力會導致零件的變形。在通常情況下，航空大型構件的材料加工是采用大懸伸刀具，強大的切削力度會導致產生更為突出的殘余應力，這樣極容易出現航空鋁合金在加工中的變形現象。

（3）“讓刀”現象

“讓刀”在加工工藝中主要是指在一次加工行程結束后，工件或工具回到一開始的位置并相互離開一定距離。這里的“讓刀”現象指的是在航空構件制造的材料加工中，由于鋁合金的屈強比大和彈性模量小，在加工切削時很有可能會產生回彈，從而對被加工的零件產生一定的形狀誤差。這種現象在大型薄壁構件的切削中尤為明顯。航空構件的大型薄壁位置本身就比較多，所以“讓刀”現象也成為了造成鋁合金材料變形的主要原因之一。

三、控制鋁合金結構件數控加工變形的措施

1、如何消除薄壁零件局部變形

想要控制薄壁零件在加工過程中的各種變形問題，其解決的主要途徑之一就是要處理好零件局部的剛度和切削力兩者之間的關系，也就是說利用零件剩余剛度和降低切削力是減輕、消除薄壁零件局部變形的一個主要的方式。

4.2如何消除零件外形的輪廓整體變形

整體結構件的特點是零件在加工的過程當中需要去除很多的材料，同時零件的截面形狀相對復雜很多，零件的原材料當中的宏觀內應力會在材料不斷進行加工的過程中逐步的釋放出去。通過對實際狀況的研究我們可以看到如果內應力的分布是不一樣的，那么零件產生變形的程度也會是不同的，同時變形的程度會同材料在切除的過程中如果力矩不平衡那么就會直接影響零件的變形。

要克服內應力所引起的整體變形，在整個航空結構件數控加工的過程中主要采用下面的幾種方法：首先，從原材料方面看我們要選用應力分布相對均勻的原料；其次是可以根據原材料的不同來進行毛坯內應力的預釋放，這里面包含有兩種方式我們可以根據實際的情況來選擇不同的釋放方法；最后一種方式是通過機械的方法來校正已經發生的整體變形零件。

結束語

有效的控制和解決航空整體結構件加工變形的問題成為了如今航空制造領域中最關鍵核心的技術問題，而通過一些高效的切削技術和對工藝參數的合理選擇以及有效的改進裝夾系統等等，都能夠有效的控制結構件的加工變形，也能夠使航空整體結構件達到高效精密加工的效果。各大航空制造企業應該總結以往的實踐經驗和不足，在引進國外一些先進高端技術和設備的基礎上，不斷地進行自主研究創新，并借助當前一些研究所和高校的技術、研究條件以及人才的優勢，進一步的實現航空整體結構件的精密高效加工。

【參考文獻】

[1] 蘭國瑋.航空鋁合金切削工藝數據庫系統的研究與開發[D].廈門大學，2014.