航空鋁合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形及控制

申霖

【摘 要】隨著航天工業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)以及制造技術(shù)的迅速發(fā)展，飛機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，對(duì)現(xiàn)代飛行器的性能要求逐漸的提高，航空結(jié)構(gòu)件的整體化成了一種發(fā)展趨勢(shì)，以鋁合金材料為主的整體結(jié)構(gòu)件已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。本文分析了當(dāng)前我國(guó)的航空鋁合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的現(xiàn)狀和存在的一些問(wèn)題，并根據(jù)具體情況和影響鋁合金結(jié)構(gòu)件加工變形的一些主要因素提出了相關(guān)的控制措施。

【關(guān)鍵詞】航空鋁合金；結(jié)構(gòu)件；數(shù)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(shù)據(jù)充分、成本不高，性能也在逐年不斷地提高，因此現(xiàn)代民用大型飛機(jī)中鋁合金是不可缺少的主要材料之一。

航空整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的問(wèn)題涉及到了材料成型加工、力學(xué)、機(jī)械制造以及切削加工等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。對(duì)飛機(jī)零件進(jìn)行薄壁化設(shè)計(jì)可以有效地控制飛機(jī)的重量，結(jié)構(gòu)的整體化可以大大的影響生產(chǎn)效率和制造的成本，還可以減少零件的數(shù)量以及連接裝配的工作量，但由于大型航空整體結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜以及整體的剛性較差等，這就導(dǎo)致了在零件加工的過(guò)程中容易產(chǎn)生變形，因此我們應(yīng)該重視切削加工工藝的提高，不斷地創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝，進(jìn)一步控制大型整體結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程中的變形。

1.淺析航空鋁合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，一些現(xiàn)代大型的商用客機(jī)對(duì)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(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)，如一些減輕孔、筋條、槽腔等，此種方法多運(yùn)用于大部分骨架零件尤其是主承力結(jié)構(gòu)件上。但是由于結(jié)構(gòu)件加工的整個(gè)過(guò)程周期比較長(zhǎng)，加工的精度和質(zhì)量都很難控制，切削加工時(shí)易受到一些因素的影響從而產(chǎn)生變形，因此當(dāng)前航空制造業(yè)所面臨的一個(gè)重要難題就是實(shí)現(xiàn)高效率、高精度和高可靠性的切削加工。航空制造業(yè)對(duì)于零件的質(zhì)量和精度要求都非常高，它對(duì)于形位的誤差以及加工的精度甚至比汽車(chē)制造業(yè)要高出許多，雖然航空所用的鋁合金材料具有較好的可削性，但對(duì)于航空鋁合金的高效切削加工研究也是目前面臨的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題，解決大型航空整體結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵技術(shù)是高效加工的工藝，也就是切削工藝優(yōu)化與高速加工技術(shù)的有效結(jié)合。所謂的高效加工技術(shù)即為了保證加工的精度以及便面的質(zhì)量從而在加工過(guò)程中運(yùn)用短而有效的單件加工時(shí)間和高材料去除率，而其中高效的切削技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效加工工藝的關(guān)鍵技術(shù)。

我國(guó)航空制造業(yè)的技術(shù)水平起步較晚，在飛機(jī)整體薄壁結(jié)構(gòu)件制造方面，技術(shù)水平仍舊不夠高，主要還是以傳統(tǒng)的制造業(yè)為主，一部分的工作人員仍舊以之前的那些舊的切削工藝和主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的加工。但隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)的航空飛機(jī)制造業(yè)在近些年也得到了迅速的發(fā)展，在以往時(shí)間的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷地總結(jié)和改進(jìn)，并且一些大型的飛機(jī)制造企業(yè)大力投資引進(jìn)了一些先進(jìn)的設(shè)備和高端的自動(dòng)化水平，而且建立了一些大型的高速加工中心，進(jìn)一步為飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展提供了有利的環(huán)境條件，其發(fā)展水平已經(jīng)逐漸向一些發(fā)達(dá)國(guó)家邁進(jìn)，但是在我國(guó)的高速切削水平上，與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在著一定的差距，主要是缺少更多的高速加工技術(shù)的支撐，沒(méi)有發(fā)揮出潛在的一些高精度、高效高速的生產(chǎn)能力。

2.影響航空鋁合金結(jié)構(gòu)件加工變形的主要因素

就目前情況來(lái)看，在整體的加工過(guò)程中存在了很多的問(wèn)題，它在選擇加工參數(shù)的時(shí)候比較保守，從而出現(xiàn)一些不合理的狀況，而且在確定加工工藝的時(shí)候缺乏了一些相關(guān)理論研究的支撐，在確定加工工藝的時(shí)候是在以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上運(yùn)用了試切的方式，這種方法降低了結(jié)構(gòu)件加工的效率，使高速加工中心的性能不能得到充分的發(fā)揮。從鋁合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工過(guò)程中存在的問(wèn)題深入研究分析，進(jìn)一步總結(jié)出了引起整體結(jié)構(gòu)件加工變形主要分為三個(gè)方面的因素。

（1）航空鋁合金的在切削的過(guò)程中容易產(chǎn)生回彈，尤其是在在大型的薄壁結(jié)構(gòu)件中，這種回彈的現(xiàn)象更嚴(yán)重。此外，還有一個(gè)使整體結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生較大變形的內(nèi)在因素是由于航空整體結(jié)構(gòu)件的形狀復(fù)雜、薄壁部位比較多、幾何結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)以及自身的剛度較差等等。

（2）在航空整體結(jié)構(gòu)件進(jìn)行工藝加工的流程中，鋁合金預(yù)拉伸板要經(jīng)過(guò)軋制、固溶、拉伸以及時(shí)效等等一系列的工藝流程才能使機(jī)械性能可以達(dá)到理想的效果，但在加工的過(guò)程中原來(lái)的應(yīng)力自平衡會(huì)在材料的不斷去除導(dǎo)致板內(nèi)殘余應(yīng)力發(fā)生釋放和重新分布的影響下遭到嚴(yán)重的破壞，然而要想使遭到破壞的應(yīng)力自平衡重新恢復(fù)正常，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，只有通過(guò)工件進(jìn)行變形。

（3）工件與刀具的接觸部分會(huì)在切削力的作用下發(fā)生變形，而材料也會(huì)在刀具的作用下不斷地被切除，而且在薄壁的部分，特別影響加工精度的是工件由于產(chǎn)生回彈效應(yīng)而出現(xiàn)的讓刀現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生會(huì)影響到薄壁部分的加工精度。此外，刀具會(huì)影響被切削的材料，使其發(fā)生彈性和塑性變形從而消耗功，最終產(chǎn)生大量切削熱，發(fā)生熱變形。

3.控制鋁合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的一些措施

優(yōu)化加工工藝和改進(jìn)裝夾系統(tǒng)，是控制大型整體結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程中變形的最有效的策略。優(yōu)化的控制策略一般可以分為兩大類(lèi)，第一種是以側(cè)壁加工為主要特征的加工，其控制策略分為三方面：一是為了使零件局部保持高剛度，采用分層環(huán)切的刀具路徑。二是為了避免由于讓刀而造成的加工誤差，可以根據(jù)具體不同的加工情況選擇逆銑方式，而采用順銑方式可以避免產(chǎn)生過(guò)切的現(xiàn)象。三是在選擇刀具的時(shí)候要合理的選擇道具的參數(shù)，也就是要選擇帶有一定圓角的刀具來(lái)進(jìn)行側(cè)壁的加工工藝。第二種是以底面加工為主要特征的加工，其控制策略分為三個(gè)方面：一是為了在加工過(guò)程中使零件局部保持剛度，可以采用中心環(huán)切的刀具路徑。二是在選擇刀具的時(shí)候，為了使加工過(guò)程中的軸向力較小，盡量不選用那些帶有圓角的刀具。三是為了減小加工過(guò)程中的底面變形，要選擇真空夾具裝夾。

4.結(jié)束語(yǔ)

有效的控制和解決航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形的問(wèn)題成為了如今航空制造領(lǐng)域中最關(guān)鍵核心的技術(shù)問(wèn)題，而通過(guò)一些高效的切削技術(shù)和對(duì)工藝參數(shù)的合理選擇以及有效的改進(jìn)裝夾系統(tǒng)等等，都能夠有效的控制結(jié)構(gòu)件的加工變形，也能夠使航空整體結(jié)構(gòu)件達(dá)到高效精密加工的效果。各大航空制造企業(yè)應(yīng)該總結(jié)以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和不足，在引進(jìn)國(guó)外一些先進(jìn)高端技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，不斷地進(jìn)行自主研究創(chuàng)新，并借助當(dāng)前一些研究所和高校的技術(shù)、研究條件以及人才的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)航空整體結(jié)構(gòu)件的精密高效加工。 [科]

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