淺析航空航天薄壁框體零件的高效加工工藝

郭躍成

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 長沙 412002）

引言：

航空航天產(chǎn)業(yè)作為經(jīng)濟全球化主導(dǎo)地位競爭的重要領(lǐng)域之一，其產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要。隨著工業(yè)發(fā)展建設(shè)的成熟度不斷提高，產(chǎn)品加工方式得到不斷的優(yōu)化與提升，如3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在實踐生產(chǎn)過程中，諸多產(chǎn)品零件的加工技術(shù)仍有很大的提升空間。文章以3D打印后的薄壁框體零件的加工工藝方法為例，分析了零件加工變形的原因與高效解決策略，以為后續(xù)此領(lǐng)域科研工作開展提供參考。

一、研究航空航天薄壁框體零件高效加工工藝的現(xiàn)實意義

對于薄壁框體零件來說，其因具有總質(zhì)量輕、剛性好等優(yōu)勢被廣泛運用于航空航天業(yè)，進而滿足高精度、結(jié)構(gòu)緊湊零件的需求。然而，在薄壁框體零件加工過程經(jīng)常出現(xiàn)塑性變形與裝夾困難的問題，導(dǎo)致產(chǎn)品加工精度不高、生產(chǎn)效率下降以及質(zhì)量性能差等嚴重后果。為此，工藝編制人員應(yīng)對航空航天薄壁框體零件加工變形的成因進行分析，以找出問題控制的關(guān)鍵點，進而著手對加工工藝進行高效優(yōu)化。這也是加快航空航天領(lǐng)域健康穩(wěn)定發(fā)展的重要課題，研究人員應(yīng)將其重視起來。

二、航空航天薄壁框體零件加工變形的原因

（一）材料加工釋放殘余應(yīng)力

應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的薄壁框體零件，其殘余應(yīng)力是指加工過程切削殘余應(yīng)力與毛坯初始殘余應(yīng)力。究其原因，薄壁框體零件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜且去除材料較多特點，因此，切削加工過程，刀具會與切削、加工面間產(chǎn)生摩擦與擠壓，進而使零件表層內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)力[1]。當(dāng)這類殘余應(yīng)力之間相互作用時，零件局部位置就會出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象，導(dǎo)致超差問題發(fā)生，進而影響零件質(zhì)量。

（二）工件刀具削切作用影響

零件加工過程，刀具削切材料會使刀具與切削工件間產(chǎn)生摩擦，即切削力與切削熱。前者，薄壁框體零件在切削力的條件下，切削震顫會使加工過程出現(xiàn)變形，且變形趨勢無法得到有效控制。而切削熱會導(dǎo)致薄壁零件的各部位溫度不均，且嚴重影響零件產(chǎn)品的表面品質(zhì)與加工精度。在共同作用影響下，材料會發(fā)生回彈變形與塑性變形問題[2]。

（三）工件裝夾工藝缺陷

薄壁零件生產(chǎn)加工過程中的裝夾工藝是指，夾緊力位置、裝夾方式以及夾緊力大小等。這些關(guān)鍵點，使控制零件變形與誤差的要素。因為，裝夾操作不當(dāng)，會直接引起薄壁零件的加工變形。如圖1所示，為零件加工精度的影響因素示意圖。

為保證零件加工過程不出現(xiàn)松動問題，應(yīng)對夾緊力與切削力進行同步增大控制。但采用四爪盤卡緊方式，夾緊力會大于切削力。此條件下，生產(chǎn)出來的薄壁零件會在卡爪松開后出現(xiàn)較大變形。值得注意的是，在精粗加工階段，如采用同樣裝夾方式，即使經(jīng)過磨削處理，也無法滿足零件預(yù)期的尺寸與幾何精度要求。

為解決上述問題所帶來的負面影響，研究人員應(yīng)將控制航空航天薄壁框體零件加工變形作為重點工作內(nèi)容，不斷優(yōu)化加工工藝。

三、航空航天薄壁框體零件加工工藝的高效優(yōu)化策略

（一）消除零件殘余應(yīng)力

首先，明確變形控制方向。由于薄壁零件初始殘余應(yīng)力與毛坯材料受熱有關(guān)，因此，發(fā)現(xiàn)并預(yù)測加工過程殘余應(yīng)力是控制零件變形的關(guān)鍵。

其次，確立變形控制方案。受熱與機械力的耦合，是增加變形控制問題分辨與控制的難點，為此，可通過有限元建模來對這兩個因素進行分離，并結(jié)合加工模型來預(yù)測控制變形的大小。

最后，消除殘余應(yīng)力?？刹捎蒙罾涮幚?、預(yù)拉伸以及振動時效等方式。由于薄壁結(jié)構(gòu)多框體零件加工過程極易出現(xiàn)變形，因此，粗加工時可遵循均等去除余量原則輪流加工，來保證應(yīng)力去除效果。為降低材料內(nèi)部殘余應(yīng)力，可采用極冷極熱的溫差處理來改變局部發(fā)生微觀塑性變形局限。

（二）加工工藝的高效優(yōu)化

由于薄壁框體零件的壁厚較小，因此，會對其剛性與銑削處理時的切削效果造成影響。為此，應(yīng)對加工步驟進行合理設(shè)計，即盡可能支撐未加工工件部分的初削部分，以降低切削力與切削熱的相互作用，進而減少殘余應(yīng)力。刀具下刀方式應(yīng)結(jié)合工件加工要求，合理選擇指標(biāo)參數(shù)。如采用垂直進刀方式向下壓腹板操作，容易引發(fā)彎曲變形，應(yīng)結(jié)合工件材料性能對切削參數(shù)進行合理設(shè)置。同時，還要采取多次且余量逐漸變小的方式，來實現(xiàn)勻速與高速的切削目的。此外，還應(yīng)借助現(xiàn)有科研成果，即對高速切削、銑削等加工操作進行工藝調(diào)整。通過嚴格遵循粗加工、時效處理以及半精加工與精加工的工藝路線，以保證生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

（三）裝夾工藝優(yōu)化調(diào)整

一方面，薄壁零件生產(chǎn)加工人員應(yīng)對裝卡方式進行優(yōu)化，即在著手工序前安裝胎具，以代替卡緊工件。另一方面，對于裝夾定位不方便的工件，可運用材料輔助支撐的方式，來保證零件剛性與緊固效果。如，通過澆灌石蠟與石膏材料，來填充低熔點合金的填充工藝方法，以此來將零件的塑性變形控制在最小化[3]。

四、結(jié)束語：

綜上所述，加工釋放的殘余應(yīng)力、加工時刀具削切作用的影響以及工件裝夾工藝的缺陷，可通過前期風(fēng)險評估做預(yù)案、合理制定加工工藝路線、優(yōu)化切削參數(shù)以及合適的裝夾工藝，來實現(xiàn)薄壁框體零件的高效、高質(zhì)量生產(chǎn)。