航天薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制研究

黃立新 胡強輝

摘 要：隨著我國科學技術(shù)不斷發(fā)展，也帶動了我國航天事業(yè)邁向了新的臺階。在航天薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工過程中，由于薄壁金屬內(nèi)應力不足，在加工過程中容易出現(xiàn)變形情況，嚴重影響結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量?；诖?，本文重點探究航天薄壁結(jié)構(gòu)數(shù)控加工變形控制的方法。

關(guān)鍵詞：航天薄壁；結(jié)構(gòu)件；變形控制；方法

衛(wèi)星推力裝置用于衛(wèi)星的姿態(tài)或軌道控制任務，是航天設(shè)備中的重要組成部分，在制造過程中對自身重量要求非常高，這也導致了薄壁結(jié)構(gòu)件成為了必然趨勢，通過公析數(shù)控加工技術(shù)現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，影響加工精度的因素非常多，并且這些因素之間相互作用，相互影響。為了能夠滿足高性能的推動效率以及結(jié)構(gòu)剛度，需要全面利用衛(wèi)星內(nèi)部空間，盡量采用整體、網(wǎng)狀及復雜薄壁結(jié)構(gòu)等特點的零件，采用車、銑及電火花加工，但由于薄壁結(jié)構(gòu)件剛性等問題影響，在生產(chǎn)中變形問題也較為嚴重，無法保證加工精度。這就需要加強對工藝方法進行優(yōu)化，減小薄壁結(jié)構(gòu)件在加工過程中變形的幾率，保證航天設(shè)備制造質(zhì)量。

1、航天薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中的變形控制

現(xiàn)如今，通過有限元分析技術(shù)對結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工過程進行分析可以發(fā)現(xiàn)，通常都是采用ANSYS軟件控制，對薄壁結(jié)構(gòu)件變形系數(shù)、應力系數(shù)、應變幅度進行全面評估的效果較好。通過調(diào)查結(jié)果表明，導致數(shù)控加工變形的因素包括：（1）對不同切削量、速度、進給量、參與應力等進行分析，找出這些數(shù)據(jù)和加工變形數(shù)據(jù)間的關(guān)系以及變化影響，從而設(shè)定更加合適的切削參數(shù)，這樣即可保證結(jié)構(gòu)件的加工精度，并提高加工效率；（2）科學改進裝夾方案。重點考慮壓板位置與數(shù)量、定位元件結(jié)構(gòu)與位置、夾緊力大小等因素，如果某個因素產(chǎn)生了變化問題，都會給整個元分析模型帶來直接的影響，從而造成結(jié)構(gòu)件變化問題。這就需要結(jié)合最終得出的改進策略，如改變弧形件定位孔的位置與數(shù)量、壓板位置、夾緊力等；（3）零件加工前材料的彎曲、熱處理等方面，評估零件加工中的殘余應力分布情況，也可以采用切削加工方法計算出不同材料的殘余力變化情況。通常情況下，結(jié)構(gòu)較為復雜的零件內(nèi)部應力都不均勻，采用元分析技術(shù)可以讓零件熱處理變得更加簡單，再融入ANSYS軟件，即可得出結(jié)構(gòu)件內(nèi)部溫度差以及應力分布狀態(tài)。

2、薄壁結(jié)構(gòu)件件數(shù)控加工變形控制策略

2.1加工中的變形控制策略

在進行航天薄壁結(jié)構(gòu)件加工當中，其加工中的變形情況更多是受到裝夾力、切削力的影響，這些變形問題也被稱之為彈性變形，通常是在卸載后即可恢復到正常情況。但如果加工當中出現(xiàn)了變形問題，道具依然是按照設(shè)定軌跡切割加工，則會造成切削量、位置偏移問題。這就需要從以下幾點進行控制：

（1）優(yōu)化數(shù)控加工切削參數(shù)

結(jié)合數(shù)控加工實際情況來看，需要選擇合適的切削參數(shù)十分重要，設(shè)置參數(shù)合理、標準可以保障零部件加工質(zhì)量，如果參數(shù)選擇不符合標準，會造成切削過大、增加道具磨損、提高零件表面參與應力等各類問題，最終會影響加工質(zhì)量、成本、效率。所以需要優(yōu)化加工切削參數(shù)，這對加強航天薄壁結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量有著重要意義。想要優(yōu)化切削參數(shù)可以采用基因算法，并且在方法在很多生產(chǎn)系統(tǒng)中都有不錯的變現(xiàn)，是控制薄壁結(jié)構(gòu)件變形的重要措施之一。

（2）優(yōu)化零件夾裝的方案

結(jié)合航天薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的實際情況，不斷優(yōu)化零件裝夾方案，這樣即可提高工藝系統(tǒng)的剛性，也可以全面提高航天設(shè)備制造當中的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)合結(jié)構(gòu)件的型號、種類，對零件夾裝方案進行優(yōu)化調(diào)整，從而加強結(jié)構(gòu)件加工變形控制，保障零部件整體質(zhì)量。

（3）制定合理的數(shù)控補償措施

為了能夠減少實際生產(chǎn)中的失誤率，可以通過模擬技術(shù)對零部件加工進行模擬計算，采用相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計更加合理的數(shù)控補償程序，分析原有的道具加工痕跡，以及零件變形的偏移值，這樣即可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)件加工變形后的數(shù)控補償，從而提高結(jié)構(gòu)件的加工精度。

（4）運用高速切削技術(shù)

當今新型的加工技術(shù)層出不窮，而高速切削技術(shù)的出現(xiàn)，可以最大程度上減少加工時間，從而控制加工變形，減少加工中的各項因素所帶來的變形問題。流入在高速切削作用下，可以將結(jié)構(gòu)件的殘余應力變得很小，同時也會減少機械應力和熱應力效應。

2.2加工前后變形的控制策略

（1）熱處理減少變形

通常情況下，合理的熱處理工藝可以減少材料變形問題。首先，控溫正火或等溫退火，在正火時采用等溫淬火可有效地使金屬組織結(jié)構(gòu)趨于均勻，從而使其變形量減小；其次，合理的冷卻方法，采用分級冷卻淬火能顯著減少金屬淬火時產(chǎn)生的熱應力和組織應力，是減少一些形狀較復雜工件變形的有效方法。

（2）結(jié)構(gòu)件剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計

例如在弧形結(jié)構(gòu)件加工當中，要增設(shè)橫桿支撐的方法，這樣可以避免出現(xiàn)加工變形等問題，保證弧面加工質(zhì)量。但是需要工作人員精準掌握結(jié)構(gòu)件應力情況，并結(jié)合實際情況正確選擇結(jié)構(gòu)件剛度。工件應盡量保持結(jié)構(gòu)與材料成分和組織的對稱性，以減少由于冷卻不均引起的畸變；工件應盡量避免尖銳棱角、溝槽等，在工件的厚薄交界處、臺階處要有圓角過渡；盡量減少工件上的孔、槽筋結(jié)構(gòu)不對稱；厚度不均勻零件采用預留加工量的方法。

（3）去除殘余應力

結(jié)合結(jié)構(gòu)件的設(shè)計標準，需要去除結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的殘余應力，提高結(jié)構(gòu)件的設(shè)計水平，這對減少負面因素的影響和變形控制有著重要作用。如在設(shè)備矯正過程中，可以適當增加一些熱處理工序，這樣可以減少結(jié)構(gòu)件的內(nèi)應力，從而降低產(chǎn)生應力變形的幾率。也可以采用豪克能技術(shù)，該技術(shù)是一種金屬強化技術(shù)，提高金屬耐磨性，而且加工過后可以預置殘余壓應力，減少微觀缺口效應，增強疲勞強度，延長工件的使用壽命。

結(jié)束語

綜上所述，隨著我國航天事業(yè)不斷發(fā)展，對薄壁結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)要求越來越高。但是在薄壁結(jié)構(gòu)件加工中，變形問題層出不窮，針對此類問題，必須要加強對數(shù)據(jù)加工變形的研究和分析，提出加工過程和加工后的變形控制，從而提高結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)件的整體性能。

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