航空薄壁結構件數(shù)控加工變形控制技術探究

◎楊雄飛

（作者單位：陸裝駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室）

在航空薄壁結構件的數(shù)控加工過程中，多重因素的存在都會對其加工質量產生影響，通過對加工變形的有效控制，可收集準確的信息，明確具體的影響因素，進而可顯著提升航薄壁結構件的設計能力，使之加工精度得以進一步提升。為此，本文從航空薄壁結構件數(shù)控加工變形的原因分析入手，提出了加工變形的控制思路，并對控制航空薄壁結構件數(shù)控加工變形的有效控制策略展開了探討，希望本文的研究可為航空薄壁結構件加工質量的提升提供幫助。

在航空薄壁結構件加工前，應利用計算機技術、運用工程分析法對加工件的變形情況進行分析，以便于加工過程中對影響因素進行有效消除，避免出現(xiàn)加工件變形問題。因此，航空部門應制定科學合理的變形控制措策，不斷進行結構件加工質量的優(yōu)化，進而使飛機的整體性能得到提升。

一、航空薄壁結構件數(shù)控加工中出現(xiàn)變形問題的具體原因

航空薄壁結構件加工中的變形問題主要有兩種，一是結構件局部變形，二是外形整體變形。

1.結構件局部變形。

在結構件加工及切削過程中多會出現(xiàn)此問題，變形之后結構件會出現(xiàn)局部彎曲或讓刀現(xiàn)象，刀具及加工件的接觸處是變形的主要區(qū)域。航空薄壁結構件不具有較強的剛性特點是引發(fā)其出現(xiàn)局部變形的直接原因，同時，如果結構件的局部尺寸不一致，加工后所呈現(xiàn)的外形也各不相同。

2.外形整體變形。

此變形問題主要表現(xiàn)為結構件彎曲或扭曲現(xiàn)象。對材料進行切割之后，材料內部的應力及加工溫度均會發(fā)生改變，此時如果放置環(huán)境有所改變將會使結構件出現(xiàn)外形整體變形現(xiàn)象。同時，熱脹冷縮問題也會導致結構件出現(xiàn)外形整體變形。在對加工溫度要求較高的情況下，如加工車間、零件運輸以及車間后期的溫度存在較大差異，將會導致結構件因熱脹冷縮而出現(xiàn)變形。因此，應采用有效的措施加強對各環(huán)節(jié)的溫度控制，才可有效避免航空薄壁結構件出現(xiàn)變形問題。

二、航空薄壁結構件數(shù)控加工變形控制思路

針對航空薄壁結構件數(shù)控加工變形問題，可以在有限元分析技術的基礎上對其進行探究，即以商業(yè)軟件ANSYS為基礎，全面評估變形、應力之間的關系。另外，還應該分析結構線性、非線性行為以及瞬間動力學，充分掌握結構與荷載之間的聯(lián)系。在建設結構件模型時，應該重點強調細節(jié)部分，剩余部分可在實際結構件的基礎上完成建模。實際上，模型一直處于最好的狀態(tài)，只有在這種情況下才能保證結構件的安全性。對于弧形件而言，其剛度和平面剛度比較差，在加工過程中如果受到切削力和夾緊力，就會發(fā)生變形。從材料力學的變形理論進行分析，材料在受到外力作用時會產生變形，而應力大于材料的屈服強度時，就會出現(xiàn)塑性變形。對于環(huán)形件而言，其徑向變形一般為橢圓，需要對以下內容進行分析：一是內應力，需要在結構件內應力情況的基礎上分析加工變形規(guī)律；二是切削力，在數(shù)控加工過程及切削參數(shù)選擇下分析零件所受切削力；三是裝夾限制，在所選擇的裝夾位置下分析零件夾緊力。

三、航空薄壁結構件數(shù)控加工變形的有效控制策略

1.加工環(huán)節(jié)的變形控制措施。

（1）合理調控數(shù)控加工切削參數(shù)。切削參數(shù)會對數(shù)控加工零件的精度產生影響，如設置的切削參數(shù)缺乏合理性，會加劇刀具的磨損程度，在切削力增加的情況下，結構件表面的殘余應力會進一步提升，會影響結構件的加工質量，也會提高加工成本。因此，合理進行數(shù)控加工切削參數(shù)的設置與調控極為關鍵。切削參數(shù)優(yōu)化方法較多，應用效果最為理想的是基于生物進化理論的基因算法，此優(yōu)化方法可實現(xiàn)多種參數(shù)的應用，從而完成全局探索及優(yōu)化。

（2）制定科學的結構件裝夾方案。結構件變形控制中最關鍵的一項舉措就是優(yōu)化裝夾方案，對于工藝系統(tǒng)剛性的提供具有重要意義。

（3）選用合理的補償措施。如果仿真加工后的結構件發(fā)生變形現(xiàn)象，可以采用數(shù)控補償程序進行補償，對結構件的變形程度充分考慮，在更加精準的要求下完成結構件加工變形補償。

（4）合理應用切削技術。切削技術中的高速加工技術已經成為人們重點關注的技術之一，加工系統(tǒng)在特定環(huán)境下會發(fā)生相應轉變，切削力不斷減小，為航空薄壁結構件的加工工作提供一定幫助。在上述情況下，結構件表面殘余應力、機械和熱應力減小，真正促進了航天事業(yè)的良好發(fā)展。

2.加工完成后的變形控制措施。

（1）預拉伸板材的有效利用。針對纖維流向要求較低的結構件可應用預拉伸板材進行加工。此種材料的殘余應力相對較少，切削加工時的變形量不高，可實現(xiàn)對加工成本的有效控制，但同時，也會使結構件的強度值有所降低。在應用過程中應合理進行應用策略的制定，以免在其它因素的干擾下影響加工件的質量。

（2）提高結構件剛度設置的合理性。加工弧形結構件時，應使用多個橫桿對其進行支撐，以免加工時出現(xiàn)嚴重的變形問題，也可顯著提升加工效率。應了解結構件的具體裝配要求，結合其應力情況合理進行結構件剛度的設置。

（3）清除結構件內部殘余應力。應遵循結構件的設計要求對其內部的殘余應力進行有效消除，進而使設計水平得到提升，實現(xiàn)對質量影響因素的有效控制，減少變形問題出現(xiàn)。如設備應用前應先進行熱處理，進而達到降低變形量的目的。

3.結構件外形輪廓整體變形的控制措施。

航空薄壁整體結構件加工時其宏觀應力會逐步釋放，切削過程中的應力分配情況存在差異，所產生的變形量也有所差別。因此，應采取以下方法對因內部應力而導致的結構件變形問題進行有效控制：

（1）合理選擇加工材料。1要想減少變形現(xiàn)象，所使用的加工材料內部應力分布必須均勻，并對其進行科學合理的測量與分析后再進行加工，這可有效避免變形問題。

（2）釋放原材料的內部應力.應針對原材料的內部應力情況進行分析，結合分析結果采用適合的方法在其毛坯內將之應力進行合理釋放。

（3）加強仿真實驗.研究人員應利用仿真機對航空薄壁結構件進行分析，通過安全校正理論分析之后得出可行性較高的校正方法，通過合理的校正減少結構件數(shù)控加工中出現(xiàn)變形問題的幾率。

結語：隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，人們對其結構件提出了較高要求，只有結構件質量有所保障，才能達到各類設備的生產要求。所以，在控制航空薄壁結構件數(shù)控加工變形時，要對其實際情況進行分析，從加工中、加工后做好變形控制，進而提高航空薄壁結構件的加工質量。