潛心加工變形研究 助力航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展
—— 記南昌航空大學(xué)秦國(guó)華教授

◎ 文/李 沖

相對(duì)于航空整體機(jī)構(gòu)件，加工變形或可稱為一件“小事”，但之于整架飛機(jī)，它卻是一件實(shí)實(shí)在在的“大事”。

航空整體機(jī)構(gòu)件，就是飛機(jī)的大梁、骨架、隔框、壁板等具有固定的形狀并能夠承受載荷的單個(gè)零件或組件。

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代飛機(jī)大量采用重量輕、結(jié)構(gòu)效率高、裝配工作量小、可靠性高的整體結(jié)構(gòu)件，但受各種因素影響，其加工結(jié)束后往往產(chǎn)生彎曲、扭曲或彎扭組合等變形，致使加工精度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形控制，已成為航空制造業(yè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。

南昌航空大學(xué)秦國(guó)華教授領(lǐng)銜的“航空整體結(jié)構(gòu)件‘裝夾-工藝-應(yīng)力’的加工變形控制理論與技術(shù)”項(xiàng)目，就是為解決這一技術(shù)難點(diǎn)而開展。

需求導(dǎo)向，創(chuàng)新指引

這是一個(gè)生發(fā)于企業(yè)現(xiàn)實(shí)需求的課題。

長(zhǎng)期以來(lái)，在航空整體結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工過(guò)程中，零件加工完后的變形一直是影響零件質(zhì)量的重要問(wèn)題之一。

秦國(guó)華介紹，有大量研究表明，零件毛坯的初始?xì)堄鄳?yīng)力是影響零件最終變形量的決定性因素，影響所占權(quán)重高達(dá)90%以上。但目前，關(guān)于毛坯殘余應(yīng)力的分布和水平與零件變形之間關(guān)系的研究還處于一個(gè)比較低的層次，其假設(shè)條件和研究方向與工程實(shí)際有較大的出入，研究結(jié)果自然也無(wú)法應(yīng)用于工程實(shí)際。

隨著飛機(jī)性能要求的提高，航空結(jié)構(gòu)件的變形問(wèn)題日益突出，迫切需要對(duì)航空結(jié)構(gòu)件的變形與毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究。

為此，自2006年起，秦國(guó)華帶領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合攻關(guān)，著力從裝夾性能、加工變形分析與控制兩方面進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)創(chuàng)新探索，并取得了系列創(chuàng)新成果。

裝夾性能研究是團(tuán)隊(duì)第一階段的研究重點(diǎn)。

他們依據(jù)工件在裝夾布局中的運(yùn)動(dòng)和受力狀態(tài)，建立了工件裝夾的性能評(píng)價(jià)模型及其求解算法，提出了定位確定性、力的存在性、力的可行性等裝夾性能的判定條件和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，提高了解決實(shí)際制造問(wèn)題的科學(xué)性。

他們利用取值范圍或取值表面的離散化方法，通過(guò)構(gòu)建合理的終止條件，將連續(xù)的裝夾布局規(guī)劃方法轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散型的裝夾性能迭代分析方法，豐富和發(fā)展了計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，改變了一般工藝中夾具設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)性方法，突破了以往開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的局限性。

以上成果在湖北鼎福汽車工具有限公司、江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司等研究中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，解決了諸如液壓筒和底座等之間的準(zhǔn)確對(duì)接定位問(wèn)題，焊接出來(lái)的液壓千斤頂一致性好，合格率幾乎達(dá)到100%。

良好的應(yīng)用效果給了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)極大的信心。2015年起，團(tuán)隊(duì)受中航工業(yè)成飛集團(tuán)數(shù)控廠的委托，開始了第二階段也就是航空薄壁件的加工變形控制問(wèn)題研究。

結(jié)合航空整體結(jié)構(gòu)件的裝夾方式，他們研究和揭示了殘余應(yīng)力水平、分布及釋放狀態(tài)下的零件變形機(jī)理，建立了零件在毛坯中的加工位置優(yōu)化模型及其步長(zhǎng)遞減算法，拓展了企業(yè)目前實(shí)際使用的“零件在毛坯內(nèi)上、下空間余量相等”的中間位置加工法。在江西華友機(jī)械有限公司機(jī)翼縫翼墊塊薄板件、江西綠陽(yáng)光學(xué)儀器制造有限公司中航空發(fā)動(dòng)機(jī)寬弦空心風(fēng)扇葉片等的加工中應(yīng)用后，使加工變形減少了99%。

此外，他們還通過(guò)單位力法將零件變形轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)因子與殘余應(yīng)力之積，根據(jù)零件變形不超出加工要求這一約束條件，建立了殘余應(yīng)力的控制規(guī)范模型及其樞軸變換算法求解方法，為切削上游工藝提供了合理的應(yīng)力指南。實(shí)際應(yīng)用中，已為中航工業(yè)成飛集團(tuán)數(shù)控廠評(píng)測(cè)毛坯進(jìn)廠的應(yīng)力合理性提供了理論指導(dǎo)。

相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐表明，項(xiàng)目所形成的“裝夾-工藝-應(yīng)力”一體化系列評(píng)估與控制關(guān)鍵技術(shù)，可有效指導(dǎo)復(fù)雜零件的高效高精加工，確實(shí)為解決航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形的工藝瓶頸提供了有力的技術(shù)支持，顯著提高了制造業(yè)的柔性與效率，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，達(dá)到了縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本的效果。

特別值得一提的是，該項(xiàng)目技術(shù)成果在航空航天以外的行業(yè)也有其理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

據(jù)介紹，無(wú)論是在傳統(tǒng)制造業(yè)還是現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)中，為了保證加工表面相對(duì)其他表面的尺寸和位置精度，加工前所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題都是合理地裝夾好工件。而這一過(guò)程無(wú)一例外都面臨著“夾具裝夾布局方案的設(shè)計(jì)方法局限于設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平”的困境，而項(xiàng)目研發(fā)的關(guān)于裝夾布局規(guī)劃方面的方法和技術(shù)，是將連續(xù)性的夾具設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠處理的離散性問(wèn)題，涉及到的信息僅僅是點(diǎn)的坐標(biāo)及其法向量，因此，這一技術(shù)不僅適合于任意形狀的零件，也適合于弱剛性的薄壁零件。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)形成的毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力控制規(guī)范，同樣可為汽車、機(jī)械制造領(lǐng)域等復(fù)雜構(gòu)件的加工變形控制提供理論支撐。

這意味著，這一成果對(duì)于我國(guó)航空、汽車、機(jī)械等制造領(lǐng)域復(fù)雜構(gòu)件的制造水平和質(zhì)量提升，均具有重要意義。

產(chǎn)學(xué)研助力，高質(zhì)量發(fā)展

這是一個(gè)典型產(chǎn)學(xué)研合作模式的結(jié)晶。

據(jù)介紹，項(xiàng)目由南昌航空大學(xué)、江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司、江西華友機(jī)械有限公司等合作攻關(guān)完成。其中，南昌航空大學(xué)牽頭理論研究、技術(shù)攻關(guān)與推廣應(yīng)用；江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司等承擔(dān)項(xiàng)目中殘余應(yīng)力測(cè)試的材料及加工，以及典型構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)工藝指導(dǎo)；江西華友機(jī)械有限公司則承擔(dān)工業(yè)試驗(yàn)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，研發(fā)相應(yīng)裝夾布局的具體夾具結(jié)構(gòu)。

換言之，高校和研究院所負(fù)責(zé)基礎(chǔ)理論研究分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，企業(yè)負(fù)責(zé)在線技術(shù)驗(yàn)證與信息反饋，三方相互配合，通力合作，共同研發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

在這一較為穩(wěn)定的產(chǎn)學(xué)研戰(zhàn)略合作模式下，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了從理論到技術(shù)再到應(yīng)用各個(gè)層面的突破，也收獲了各方面的高質(zhì)量發(fā)展。

迄今，該成果共發(fā)表論文98篇，其中SCI收錄21篇，EI收錄83篇，其中多篇文章得到業(yè)內(nèi)專家高度評(píng)價(jià)；出版學(xué)術(shù)專著1部，授權(quán)國(guó)家發(fā)明、實(shí)用新型專利21件，獲得計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)1項(xiàng)；獲得陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)等科研獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)。

經(jīng)濟(jì)方面，僅在2017-2019年的推廣應(yīng)用期，就實(shí)現(xiàn)了新增銷售額1.16億元，新增利潤(rùn)2.25千萬(wàn)元的成績(jī)，效益顯著。

合作中，南昌航空大學(xué)努力提升本校相關(guān)學(xué)科發(fā)展之外，還積極加強(qiáng)基地建設(shè)及促進(jìn)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，以“江西省航空構(gòu)件制造技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室”“江西省航空制造業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心”“江西省航空宇航科學(xué)與技術(shù)研究生教育創(chuàng)新基地”等為基地，以協(xié)同創(chuàng)新中心等為依托開展產(chǎn)學(xué)研合作，與一批行業(yè)企業(yè)及研究院所建立了長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系，為自己也為企業(yè)培養(yǎng)了一批專業(yè)技術(shù)人才與后備力量。

自古成大事者，應(yīng)大處著眼，小處著手。只看大處，不重小處，難以落地；只顧小處，不睬大處，難以長(zhǎng)遠(yuǎn)。科學(xué)研究亦是如此。秦國(guó)華“大處”是航空安全，“小處”就是航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形及控制技術(shù)這件“小事”。

正因?yàn)榍貒?guó)華等無(wú)數(shù)科技工作者從小處出發(fā)，把件件“小事”當(dāng)作自己的終身志業(yè)，十幾年如一日潛心攻關(guān)，才有了大家心中響亮的“航空安全無(wú)小事”。