大型飛機(jī)整體壁板板坯數(shù)控加工延展變形分析及控制

中航飛機(jī)股份有限公司 彭艷敏

飛機(jī)機(jī)翼整體壁板是現(xiàn)代軍用、民用飛機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，而大型飛機(jī)整體壁板成形技術(shù)則是飛機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。整體壁板是由厚蒙皮和長桁等骨架零件組成的一個整體具有強(qiáng)度重量比高、總體和局部穩(wěn)定性好、疲勞壽命長、外形準(zhǔn)確以及表面光滑等的特點，使其成為現(xiàn)代飛機(jī)普遍采用的高效率結(jié)構(gòu)，也是影響戰(zhàn)斗機(jī)綜合性能的主要關(guān)鍵部件。壁板類零件屬于薄壁零件，在數(shù)控加工時，容易因強(qiáng)度剛性不夠產(chǎn)生導(dǎo)致變形，且零件長度較大，更容易將零件變形擴(kuò)大。

一、整體壁板制造流程

整體壁板目前最常用的加工流程是先將整體壁板產(chǎn)品數(shù)模在三維工程CAD軟件中進(jìn)行展開計算，建立整體壁板板坯工藝數(shù)模，然后采用NC數(shù)控機(jī)床加工出壁板板坯，最后采用噴丸工藝將其成形到飛機(jī)氣動所要求的形狀。

圖1為大型飛機(jī)機(jī)翼整體壁板的制造流程示意圖，與傳統(tǒng)的直接采用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工的方法相比，這種方法具有明顯的優(yōu)點：使用的預(yù)拉伸板料毛坯較薄，切削量相對較小，銑削加工設(shè)備只需要三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床即可；噴丸成形后附帶的強(qiáng)化工藝，可以大幅度的增強(qiáng)機(jī)械加工剝離金屬后微觀上的組織缺陷并預(yù)留殘余壓應(yīng)力，從而能夠極大的提高零件的抗疲勞特性。在實際生產(chǎn)中普遍采用這種方法從而節(jié)省數(shù)控機(jī)床資源和避免材料浪費，因而具有成本低、零件表面質(zhì)量優(yōu)異等優(yōu)點。

圖1 大型整體壁板數(shù)控加工工藝流程示意圖

二、整體壁板板坯數(shù)控加工延展變形產(chǎn)生原因

與大型整體壁板制造相關(guān)的應(yīng)力包括：毛坯殘余應(yīng)力、加工應(yīng)力、裝夾應(yīng)力等。如圖2所示，在機(jī)械加工過程中，在數(shù)控加工過程中，由于切削力及切削熱等因素共同作用于零件，使得零件內(nèi)部的應(yīng)力平衡被打破，導(dǎo)致零件在加工過后必然要回復(fù)應(yīng)力平衡狀態(tài)而釋放殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致零件變形。

◎ 加工過程中，毛坯初始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，新的應(yīng)力重分布導(dǎo)致工件變形。

◎ 切削加工過程中，在機(jī)械載荷與熱載荷綜合作用下產(chǎn)生的加工應(yīng)力導(dǎo)致工件變形。

◎ 另外還存在裝夾應(yīng)力、環(huán)境溫度變化引起應(yīng)力等。

三、整體壁板板坯數(shù)控加工延展變形數(shù)值計算

殘余應(yīng)力是在無外力作用時，以平衡狀態(tài)存在于物體內(nèi)部的應(yīng)力。整體壁板為薄壁零件，剛性較差，加工材料的去除率高，通常為40%～60%。刀具切削過程中的切削力、摩擦力影響零件表層狀態(tài)，刀具切削的過程會使金屬表面的晶粒狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生切削熱以及表層應(yīng)力，在達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)時造成零件變形。壁板加工表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，而材料內(nèi)部產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。殘余內(nèi)應(yīng)力對變形影響往往是最明顯的因素，鋁合金零件切削加工的殘余應(yīng)力層深度一般在0.4～0.5mm之內(nèi)，由外向里遞減。

假設(shè)整體壁板展開板坯的典型截面的平均厚度為t，最大厚度為tmax，最小厚度為tmin，圖3為C919外翼下中壁板板坯模型的典型截面。

圖3 壁板板坯典型截面示意圖

壁板機(jī)械加工切削沿翼展方向的應(yīng)變?yōu)棣う?，塑性變形層深度為Δt，切屑應(yīng)力為σc，彈性模量E，塑形變形層面積為Aout，單位截面的殘余應(yīng)力層面積為Ain，壁板截面之間的單位長度Li，截面零件平均厚度t，截面零件平均寬度b，如圖4所示。

圖4 截面參數(shù)說明

當(dāng)b≥t時，截面兩側(cè)的面積可以忽略，圖5為簡化后的截面。Ain=t·b，Aout=2Δt·b。

圖5 簡化截面參數(shù)說明

取塑性變形層深度Δt=0.4-0.5，切屑應(yīng)力為σc=50-80MPa，壁板材料的彈性模量E=72000MPa。通過式（2）得出整體壁板板坯數(shù)控切削加工延展變形量，如表所示，圖6為切削延展變形量最大、最小趨勢圖。

表 整體壁板板坯數(shù)控切削加工延展變形量（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

圖6 壁板數(shù)控切削加工延展變形量

四、整體壁板切削加工延展變形試驗驗證

通過整體壁板板坯數(shù)控加工完后，無約束狀態(tài)，測量標(biāo)定點的坐標(biāo)值，對比板坯數(shù)模，得到數(shù)控加工延展變形量，圖7為下后壁板肋位及測量點分布示意圖。

圖7 壁板板坯肋位測量點分布示意圖

整體壁板數(shù)控加工延展變形試驗條件。

◎ 測量對象：整體壁板數(shù)控完成后將放置在標(biāo)準(zhǔn)工作平臺，無約束狀態(tài)下放置3天左右，目的是為了去除數(shù)控加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

◎ 測量設(shè)備：激光跟蹤儀。

◎ 測量方法：利用壁板最近端、最遠(yuǎn)端的兩個定位耳片孔及底平面作為測量坐標(biāo)系，圖8為整體壁板板坯測量坐標(biāo)系示意圖，整體壁板放置工作平臺，用沙袋壓平整體壁板。

◎ 測量內(nèi)容：整體壁板板坯肋位置基準(zhǔn)孔坐標(biāo)值、外形線坐標(biāo)值、測量環(huán)境（溫度、濕度）等。

圖8 整體壁板板坯測量坐標(biāo)系示意圖

將壁板的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入機(jī)加坐標(biāo)系，計算肋位處延展變形量，圖9為整體壁板肋位處延展圖。

圖9 整體壁板板坯數(shù)控加工肋位處延展量分布

由整體壁板數(shù)控加工延展數(shù)值計算與圖9肋位延展量測量數(shù)據(jù)對比得出：激光測量數(shù)據(jù)除因測量方法、人為因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)個別肋位測量數(shù)據(jù)偏差較大以外，最終測得的壁板總延展變形量與數(shù)值計算的結(jié)果基本吻合。

五、整體壁板加工變形控制策略

1.調(diào)整加工余量分配、盡可能將最終變形控制到最小

通過控制銑平面余量能夠在一定程度上控制零件的變形。其次是加工過程中余量的分配。從理論上說，粗加工盡可能去除更多的余量，所有可能引起變形的部位在粗加工階段都要加工出來，充分釋放變形，才能保證最終的零件變形是最小的，但又必須保證精加工有足夠的余量。

2.采用應(yīng)力分割槽及時釋放內(nèi)應(yīng)力，減小最終變形

在加工過程中采取措施釋放內(nèi)應(yīng)力是最有效的變形控制方法之一。這種變形控制方法的原理，就是在零件加工的初期，破壞工件抵抗變形的剛性，使得加工應(yīng)力在加工的最初階段得到很好的釋放，達(dá)到控制變形的效果。通過在壁板零件加工過程中設(shè)置應(yīng)力分割槽，釋放零件加工中產(chǎn)生的應(yīng)力變形，便于壁板零件的裝夾吸附，如圖10所示。

圖10 整體壁板應(yīng)力分割槽

3.數(shù)控加工走刀策略對變形的影響

數(shù)控加工策略，即針對具體加工特征的走刀方式對變形程度也有很大影響。例如，在粗加工中，等高線加工方式是一種高效粗加工切削模式，即按照Z向等高逐層遞減的模式等余量切削去除材料，適合于高速銑削場合，有利于應(yīng)力的均勻釋放。對稱加工方式比傳統(tǒng)的順序加工方式更有利于減小變形，即加工中以對稱方式加工各區(qū)域。

4.優(yōu)化刀具切削參數(shù)，最大限度減少加工中衍生在工件表面的切削應(yīng)力

切削加工過程中，由于力或熱的作用，使工件表面產(chǎn)生塑性變形，也會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，并在加工后出現(xiàn)變形。切削參數(shù)的選擇會直接影響變形控制效果，不合理的切削參數(shù)會導(dǎo)致切削力過大，刀具磨損嚴(yán)重，零件表面殘余應(yīng)力增加，影響變形。采用高速切削技術(shù)是減小加工變形的有效措施。

六、結(jié)語

在飛機(jī)整體壁板的數(shù)控加工中，通過加工延展變形產(chǎn)生原因、延展變形的數(shù)值計算和試驗驗證，解決了零件的加工變形問題，從而可以控制零件的加工精度，對類似整體壁板數(shù)控加工提供了很好的借鑒作用，能夠有效提高壁板類零件的加工質(zhì)量和批量生產(chǎn)能力。特別是對飛機(jī)整體壁板類的大型壁板的加工， 降低延展變形的不確定性、縮短壁板研制周期和降低成本，具有一定的指導(dǎo)意義。