摘要： 本文以大型整体结构件为研究对象，对其数控加工变形控制技术进行了研究。从整体加工变形控制工艺方法、加工准备、有限元仿真变形预测和控制、高精度加工装夹具优化、是否毛坯残余应力等方面探讨了相关控制技术。
关键词： 大型整体结构件；变形；控制技术
1 引言
整体结构件具有结构复杂、材料去除率高、刚性差等特点。根据整体结构件不同的结构形式,产生的加工变形也不相同[1]。按照变形特点可分为：弯曲变形、扭曲变形、翘曲变形三种情况，大型航空整体结构件一般采用高强度铝合金或钦合金材料,其弹性模量小、屈服比大,在切削加工过程中容易产生回弹,大型薄壁零件尤为严重。
2 整体加工变形控制工艺方法
对超大型壁板类零件的整体工艺进行分析，其毛坯采用全尺寸的大型预拉伸铝合金板材，最终形成“一面光面、一面结构”的非对称整体壁板类零件，一般情况下，材料去除率达到95% 左右。预拉伸铝合金板材在加工过程中形成的加工变形主要是由于残余应力释放造成的，特别是尺寸超大型的结构件，在大去除率的加工过程中，如果不能很好地处理残余应力释放的问题，容易造成零件加工过程中及加工后的大变形，从而导致尺寸超差或者产品不满足要求而报废。结合超大型壁板类零件的加工流程设置了如下的加工变形控制整体工艺流程。工艺流程包括：大余量开槽腔、定位面精加工、粗加工、自然时效、真空装夹、在线测量余量和精加工等[2-3]。其中大余量开槽腔的主要作用是释放毛坯残余应力，该工序不形成特征尺寸，主要是通过快速去除大余量材料来释放毛坯本身的残余应力，是控制变形的关键工序；定位面精加工、粗加工和自然时效是释放粗加工残余应力，进一步释放残余应力，这一工序的加工已形成均布余量的零件毛坯，加之自然时效的作用，更加容易控制加工变形。真空装夹和在线测量余量是精加工工序的工艺准备，真空装夹是一种保证零件稳定的装夹方式，通过在线测量获得经过粗加工和自然时效后的余量变化情况，从而调整加工工艺，以保证特征尺寸的精度，准备完成后就进行精加工工序来完成壁板的加工。
以上流程贯彻超大型壁板类零件加工的每一个工序，每一工序都考虑了释放应力和均布应力以控制零件的加工变形，无论在不形成特征尺寸的粗加工工序还是在控制尺寸精度的精加工工序，都把变形控制作为零件加工的重要内容进行分析和考虑，从而达到整体控制加工变形的效果，控制加工变形是保证零件加工精度的首要因素。
超大型壁板类零件的毛坯采用大型预拉伸铝合金板材，毛坯整体重量可达到5~6t，在存放及运输过程中，由于振动、温度变化等因素的影响，毛坯本身容易产生很大的变形，对装夹定位带来很大的影响。如一块19000mm×1500mm×75mm 的毛坯经过存放、运输后，变形量最大达到8mm，呈现“拱起”的状态，使得零件无法装夹到平台上去。因此，对毛坯的变形进行处理是非常重要和必要的[4]。采用大余量去除余料对毛坯进行开槽的方式来消除毛坯的变形，根据零件的结构特征，在保证加工余量的前提下，去除毛坯的余料部分达到毛坯总量的40% 左右。大余量去除余料后，毛坯的残余应力得到很好的释放，零件变形减少，控制在1mm 左右，而且毛坯重量大大降低，降低了零件翻面等操作带来的困难。大余量去除余料对机床和刀具没有特殊的要求，而且加工效率较高，不仅解决了毛坯变形的问题，而且提高了零件加工的整体效率。
3 加工准备
粗加工结束后，对零件进行自然时效，然后进行真空装夹。由于零件长度方向沿毛坯的纤维方向，在毛坯出去余料及粗加工过程中，切削方向也主要是沿纤维方向，所以在零件长度方向变形量稍大，为满足精度要求需在精加工前进行判断并调整精加工工艺。应用在线测量技术在机床工位上对零件两端进行在线检测，测量粗加工效果，为精加工做准备。根据实际零件的伸长或缩短的变形量，预判最后零件的变形情况，再相应调整加工两端的偏移量，以达到对零件最终零件伸长或缩短量的控制。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆实际加工过程中通过该方式将最大的伸长或缩短的变形量0.5mm 控制到0.2mm 以内，达到了比较好的效果。
4 有限元仿真变形预测与控制
整体薄壁结构件结构复杂，尺寸大，在加工过程中常因复杂的动态热耦合作用而导致加工变形， 因此加工变形预测与控制是整体薄壁结构件制造工艺研究的一个关键问题。近年来，随着计算机技术及数值计算理论与方法的飞速发展， 有限元仿真技术开始在切削加工工艺理论研究中得到广泛应用。相对于试验研究和理论分析，有限元仿真技术能够节省大量时间和成本，并能够获得通过试验难以得到的物理力学参数， 如应力、应变、应变率和温度等，因而采用有限元仿真技术研究和解决整体薄壁结构件数控加工变形问题成为当前研究的一个热点和重要方向。
5 高精度加工装夹具优化
夹紧力是影响整体薄壁结构件变形的一个重要因素， 结构件在机床上的装夹精度对加工精度有重要影响，20%～60%的加工误差是由装夹引起的。装夹具的刚度和稳定性直接影响结构件的加工尺寸和形状误差，尤其是对弱刚度结构件，夹紧力引起的变形更不容忽视。通过调整夹具元件的位置或添加必要的夹具元件，能够达到减小变形的目的。随着对整体薄壁结构件加工精度要求的不断提高， 对装夹方案的优选研究逐渐受到重视。
6 释放毛坯残余应力
超大型壁板类零件的毛坯采用大型预拉伸铝合金板材，毛坯整体重量可达到5~6t，在存放及运输过程中，由于振动、温度变化等因素的影响，毛坯本身容易产生很大的变形，应力“推积”而造成变形积聚。对加工的顺序进行调整安排，采用往复加工的方式能够很好地均化应力而减少变形，其效果是非常明显的。因此制定精加工工艺时，采用“局部往复、总体无序”的加工方式，把零件分为几个区域，区域内采用往复加工的方式，区域间采用对称的顺序，从而减少零件的变形。另外，超大型壁板类零件长径比很大，加工过程中容易造成零件侧弯，导致真空泄漏，零件反弹，从而造成零件加工超差。所以控制零件的侧弯也是非常重要的，为保证加工的稳定性，在加工过程中采用多个限位插销定位零件的方式来防止侧弯。
7 结论
整体薄壁结构件数控加工变形是切削加工过程中毛坯初始残余应力、切削过程中热应力和机械应力，以及装夹应力等耦合作用的结果， 尽管开展了切削加工过程变形预测与控制、装夹具、材料、工艺优化等方面的研究，但所进行的研究工作大多是独立进行的，因此还需要开展综合考虑切削载荷与装夹应力的研究。此外， 工艺规划和数控编程技术在整体薄壁结构件加工变形控制中也起着非常重要的作用，需要重点关注。
以上结合工程实践对超大型壁板的变形问题进行了分析，并提出了一套加工变形整体控制工艺方法。超大型壁板类零件加工变形整体控制工艺方法的思路是把变形控制贯穿于整个加工工艺中去，从工艺编程到现场加工控制，全过程地有针对性地调整工艺方法，通过应用在线测量等技术检测加工结果，分析加工的变形量并反馈于加工工艺，从而形成加工闭环系统。全过程加工变形控制的思路适用于尺寸大、结构复杂、加工周期长、造价昂贵的结构件的加工，对于此类零件而言，加工变形控制直接决定了加工结果。对于大飞机研制而言，超大型壁板类零件的加工精度有非常重要的意义，所以控制加工变形是非常重要的。这种控制加工变形的工艺方法也是具有重要意义的。
8 参考文献
[1] 孙杰, 柯映林, 吴群,等. 大型整体结构件数控加工变形校正的关键技术研究[J]. 机械工程学报, 2003, 39(8):120-124.
[2] 缪伟民. 整体薄壁结构件数控加工变形控制技术进展[J]. 机械制造, 2018, 56(3):1-3.
[3] 大型复杂薄壁结构件加工变形仿真与控制技术研究[D]. 北华航天工业学院, 2015.
[4] 郭磊. 航空薄壁结构件数控加工变形控制研究[J]. 现代制造技术与装备, 2018(3):176-176.
论文作者:金富华,程永祥
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/2
标签：加工论文; 零件论文; 毛坯论文; 应力论文; 壁板论文; 结构件论文; 薄壁论文; 《电力设备》2019年第15期论文;