航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的控制分析

李加朋

西飛公司 陜西 西安 710089

引言

在對(duì)航空薄壁結(jié)構(gòu)件進(jìn)行數(shù)控加工之前，應(yīng)該通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)航空薄壁結(jié)構(gòu)件變形情況進(jìn)行合理分析，并針對(duì)零件變形制定應(yīng)對(duì)方案，通過(guò)對(duì)零件變形進(jìn)行控制能夠使飛機(jī)的性能指標(biāo)得到保障。因此，有必要對(duì)航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制進(jìn)行研究。

1 數(shù)控加工變形原因

航空薄壁結(jié)構(gòu)件在數(shù)控加工過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)零件變形的情況，此類(lèi)變形零件將會(huì)對(duì)飛機(jī)性能造成影響。在數(shù)控加工期間，零件變形在所難免，而且變形形態(tài)往往并不固定，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)件在數(shù)控加工期間的變形時(shí)間等多方面進(jìn)行綜合分析，通常可以將結(jié)構(gòu)件劃分成為局部變形以及整體變形等多種形式。其中局部變形通常會(huì)發(fā)生在加工以及切削階段。發(fā)生變形之后其主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)件局部彎曲等情況。在刀具與結(jié)構(gòu)件的接觸位置相對(duì)更加容易出現(xiàn)局部變形的情況。而且結(jié)構(gòu)件的剛性相對(duì)較弱，這也是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件局部變形的一項(xiàng)重要因素。在局部變形的結(jié)構(gòu)件中，由于局部尺寸往往并不相同，所以變形零件形態(tài)也會(huì)出現(xiàn)偏差。結(jié)構(gòu)件的整體變形主要表現(xiàn)為經(jīng)過(guò)數(shù)控加工之后產(chǎn)生扭曲、彎曲以及結(jié)構(gòu)件經(jīng)過(guò)放置之后產(chǎn)生的變形。出現(xiàn)這種情況的主要原因就是材料切割結(jié)束之后，其內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力將會(huì)重新完成分配，此時(shí)數(shù)控加工溫度也會(huì)發(fā)生改變，所以結(jié)構(gòu)件便會(huì)隨著外界放置環(huán)境的變化而產(chǎn)生改變。此外，熱脹冷縮現(xiàn)象也是造成結(jié)構(gòu)件整體變形的主要原因。結(jié)構(gòu)件在特定溫度下，如果車(chē)間、運(yùn)輸溫度難以持續(xù)保持一致，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)熱脹冷縮的情[1]。所以在結(jié)構(gòu)件的加工過(guò)程中，應(yīng)該解決此類(lèi)問(wèn)題，只有這樣才能夠完成結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的控制，使飛機(jī)的整體性能指標(biāo)得到保證。

2 數(shù)控加工變形控制思路

在面對(duì)航空薄壁結(jié)構(gòu)件在數(shù)控加工期間遇到的變形問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)對(duì)變形、應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行全方位分析，并了解零件結(jié)構(gòu)與荷載的聯(lián)系，以此來(lái)完成建模。在結(jié)構(gòu)件中，弧形件的剛度相對(duì)較差，所以弧形件容易在數(shù)控加工期間受到切削力、夾緊力的影響而出現(xiàn)變形情況。通常情況下，材料一般會(huì)在受到外力時(shí)出現(xiàn)變形，當(dāng)應(yīng)力超出屈服強(qiáng)度之后，材料就會(huì)產(chǎn)生塑性變形。在結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程中，環(huán)形件的徑向變形通常都屬于橢圓，因此環(huán)形件變形后需要對(duì)數(shù)控加工時(shí)的內(nèi)應(yīng)力、切削力以及夾緊力進(jìn)行綜合分析。只有明確各種結(jié)構(gòu)件變形分析方法，才能夠讓航空薄壁結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)中發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

3 數(shù)控加工變形控制對(duì)策

3.1 結(jié)構(gòu)件加工期間的變形控制

在數(shù)控加工過(guò)程中，如果結(jié)構(gòu)件受到的夾緊力、切削力超過(guò)承受范圍，就會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件加工變形的情況。經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)件變形進(jìn)行分析便能夠了解到此類(lèi)變形為彈性變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)件所受夾緊力以及切削力降低、消失之后，結(jié)構(gòu)件就會(huì)自行恢復(fù)到原有的形態(tài)。但是由于結(jié)構(gòu)件在數(shù)控加工期間，切削位置以及切削量并不一致，所以結(jié)構(gòu)件的表面便會(huì)因?yàn)榍邢髟蚨霈F(xiàn)變形、過(guò)切等情況。所以在數(shù)控加工期間，可以通過(guò)以下措施對(duì)結(jié)構(gòu)件變形進(jìn)行控制：第一，優(yōu)化切削參數(shù)。在結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工期間，切削參數(shù)帶來(lái)的影響非常大，如果結(jié)構(gòu)件切削參數(shù)不合理，就有可能導(dǎo)致切削刀具出現(xiàn)磨損問(wèn)題，此時(shí)結(jié)構(gòu)件的切削質(zhì)量將會(huì)快速下滑，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的數(shù)控交工成本提升。所以在結(jié)構(gòu)件正式加工之前，需要提前對(duì)結(jié)構(gòu)件的切削參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、優(yōu)化，避免結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量下滑。切削參數(shù)優(yōu)化方式有很多，其中基因算法能夠使優(yōu)化質(zhì)量得到保證。第二，優(yōu)化裝夾方案。結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工時(shí)的裝夾方案是否合理將會(huì)直接關(guān)系到最終加工質(zhì)量，只有根據(jù)結(jié)構(gòu)件剛度合理控制夾緊力，才能夠避免結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)變形問(wèn)題。第三，制定補(bǔ)償方案。在結(jié)構(gòu)件加工期間，若結(jié)構(gòu)件經(jīng)過(guò)仿真加工后產(chǎn)生了變形情況，就可以通過(guò)提前制定的補(bǔ)償方案對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)償，采用補(bǔ)償方案需要在數(shù)控加工前提前考慮到變形情況。

3.2 結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工完成后的變形控制

結(jié)構(gòu)件在數(shù)控加工結(jié)束后同樣有可能出現(xiàn)變形情況，對(duì)此可以采用以下對(duì)策：第一，采用預(yù)拉伸板材。結(jié)構(gòu)件如果沒(méi)有特殊要求，就可以利用預(yù)拉伸板材來(lái)防止變形。預(yù)拉伸板材由于參與應(yīng)力相對(duì)較小，所以在切削過(guò)程中并不會(huì)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的變形情況。需要注意的是，如果材料、加工成本預(yù)算不變，則使用預(yù)拉伸板材后會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度出現(xiàn)下滑。第二，剛度設(shè)定。在對(duì)弧形件進(jìn)行加工時(shí)，可以通過(guò)加入橫桿支撐的方法來(lái)避免結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)突發(fā)變形的情況，通過(guò)提前了解裝配、應(yīng)力情況，就可以對(duì)弧形件剛度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。第三，降低殘余應(yīng)力。通過(guò)降低結(jié)構(gòu)件的參與應(yīng)力，可以有效避免零件變形的情況出現(xiàn)。例如通過(guò)加入結(jié)構(gòu)件熱處理，能夠防止結(jié)構(gòu)件因內(nèi)應(yīng)力而出現(xiàn)變形情況。

3.3 整體變形控制

結(jié)構(gòu)件在數(shù)控加工期間，結(jié)構(gòu)件會(huì)根據(jù)內(nèi)應(yīng)力情況而出現(xiàn)改變，所以為了避免整體變形，結(jié)構(gòu)件需要盡量使用應(yīng)力分布相對(duì)較為平均的材料。還可以通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)件毛坯中的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行預(yù)釋放，以此來(lái)避免結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)整體變形。除此之外，還可以對(duì)結(jié)構(gòu)件專(zhuān)門(mén)開(kāi)展仿真機(jī)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)安全矯正理論進(jìn)行合理分析，針對(duì)結(jié)構(gòu)件的實(shí)際情況專(zhuān)門(mén)制定校正方法，以此來(lái)控制結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工變形[2]。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在航天事業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，飛機(jī)對(duì)航空薄壁結(jié)構(gòu)件的各項(xiàng)性能指標(biāo)有了更多要求。當(dāng)結(jié)構(gòu)件在數(shù)控加工期間出現(xiàn)變形時(shí)，其性能將會(huì)大幅下降。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工變形得到控制才能夠使飛機(jī)質(zhì)量得到保障。相信隨著更多人了解結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制的重要性，結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量一定會(huì)越來(lái)越好。