淺析航空航天薄壁框體零件的高效加工工藝

郭躍成

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 長沙 412002）

引言：

航空航天產業作為經濟全球化主導地位競爭的重要領域之一，其產品質量尤為重要。隨著工業發展建設的成熟度不斷提高，產品加工方式得到不斷的優化與提升，如3D打印技術的廣泛應用。在實踐生產過程中，諸多產品零件的加工技術仍有很大的提升空間。文章以3D打印后的薄壁框體零件的加工工藝方法為例，分析了零件加工變形的原因與高效解決策略，以為后續此領域科研工作開展提供參考。

一、研究航空航天薄壁框體零件高效加工工藝的現實意義

對于薄壁框體零件來說，其因具有總質量輕、剛性好等優勢被廣泛運用于航空航天業，進而滿足高精度、結構緊湊零件的需求。然而，在薄壁框體零件加工過程經常出現塑性變形與裝夾困難的問題，導致產品加工精度不高、生產效率下降以及質量性能差等嚴重后果。為此，工藝編制人員應對航空航天薄壁框體零件加工變形的成因進行分析，以找出問題控制的關鍵點，進而著手對加工工藝進行高效優化。這也是加快航空航天領域健康穩定發展的重要課題，研究人員應將其重視起來。

二、航空航天薄壁框體零件加工變形的原因

（一）材料加工釋放殘余應力

應用于航空航天領域的薄壁框體零件，其殘余應力是指加工過程切削殘余應力與毛坯初始殘余應力。究其原因，薄壁框體零件具有結構復雜且去除材料較多特點，因此，切削加工過程，刀具會與切削、加工面間產生摩擦與擠壓，進而使零件表層內部出現不同程度的殘余應力[1]。當這類殘余應力之間相互作用時，零件局部位置就會出現塑性變形現象，導致超差問題發生，進而影響零件質量。

（二）工件刀具削切作用影響

零件加工過程，刀具削切材料會使刀具與切削工件間產生摩擦，即切削力與切削熱。前者，薄壁框體零件在切削力的條件下，切削震顫會使加工過程出現變形，且變形趨勢無法得到有效控制。而切削熱會導致薄壁零件的各部位溫度不均，且嚴重影響零件產品的表面品質與加工精度。在共同作用影響下，材料會發生回彈變形與塑性變形問題[2]。

（三）工件裝夾工藝缺陷

薄壁零件生產加工過程中的裝夾工藝是指，夾緊力位置、裝夾方式以及夾緊力大小等。這些關鍵點，使控制零件變形與誤差的要素。因為，裝夾操作不當，會直接引起薄壁零件的加工變形。如圖1所示，為零件加工精度的影響因素示意圖。

為保證零件加工過程不出現松動問題，應對夾緊力與切削力進行同步增大控制。但采用四爪盤卡緊方式，夾緊力會大于切削力。此條件下，生產出來的薄壁零件會在卡爪松開后出現較大變形。值得注意的是，在精粗加工階段，如采用同樣裝夾方式，即使經過磨削處理，也無法滿足零件預期的尺寸與幾何精度要求。

為解決上述問題所帶來的負面影響，研究人員應將控制航空航天薄壁框體零件加工變形作為重點工作內容，不斷優化加工工藝。

三、航空航天薄壁框體零件加工工藝的高效優化策略

（一）消除零件殘余應力

首先，明確變形控制方向。由于薄壁零件初始殘余應力與毛坯材料受熱有關，因此，發現并預測加工過程殘余應力是控制零件變形的關鍵。

其次，確立變形控制方案。受熱與機械力的耦合，是增加變形控制問題分辨與控制的難點，為此，可通過有限元建模來對這兩個因素進行分離，并結合加工模型來預測控制變形的大小。

最后，消除殘余應力。可采用深冷處理、預拉伸以及振動時效等方式。由于薄壁結構多框體零件加工過程極易出現變形，因此，粗加工時可遵循均等去除余量原則輪流加工，來保證應力去除效果。為降低材料內部殘余應力，可采用極冷極熱的溫差處理來改變局部發生微觀塑性變形局限。

（二）加工工藝的高效優化

由于薄壁框體零件的壁厚較小，因此，會對其剛性與銑削處理時的切削效果造成影響。為此，應對加工步驟進行合理設計，即盡可能支撐未加工工件部分的初削部分，以降低切削力與切削熱的相互作用，進而減少殘余應力。刀具下刀方式應結合工件加工要求，合理選擇指標參數。如采用垂直進刀方式向下壓腹板操作，容易引發彎曲變形，應結合工件材料性能對切削參數進行合理設置。同時，還要采取多次且余量逐漸變小的方式，來實現勻速與高速的切削目的。此外，還應借助現有科研成果，即對高速切削、銑削等加工操作進行工藝調整。通過嚴格遵循粗加工、時效處理以及半精加工與精加工的工藝路線，以保證生產出高質量的產品。

（三）裝夾工藝優化調整

一方面，薄壁零件生產加工人員應對裝卡方式進行優化，即在著手工序前安裝胎具，以代替卡緊工件。另一方面，對于裝夾定位不方便的工件，可運用材料輔助支撐的方式，來保證零件剛性與緊固效果。如，通過澆灌石蠟與石膏材料，來填充低熔點合金的填充工藝方法，以此來將零件的塑性變形控制在最小化[3]。

四、結束語：

綜上所述，加工釋放的殘余應力、加工時刀具削切作用的影響以及工件裝夾工藝的缺陷，可通過前期風險評估做預案、合理制定加工工藝路線、優化切削參數以及合適的裝夾工藝，來實現薄壁框體零件的高效、高質量生產。