航空薄壁结构件数控加工变形控制研究

2018-02-16郭磊

现代制造技术与装备 2018年3期

郭磊

（哈尔滨市鑫华航空工业股份有限公司，哈尔滨 150066）

在数控加工航空薄壁结构件之前，应该在计算机辅助工程分析法的基础上合理分析变形情况，同时对于影响加工过程的因素展开分析，以免出现零件变形现象。基于此，航空部门应该针对结构件变形现象制定应对措施，对结构件加以完善，确保飞机的整体性能。本文重点分析了航空薄壁结构件数控加工变形控制策略，希望能够给予有关单位一定帮助。

1 航空薄壁结构件数控加工变形原因

航空薄壁结构件在数控加工中出现变形情况是在所难免的，其变形模式十分不固定。通过分析结构件变形时间、尺度及造成影响，区分了结构件的变形种类，其主要包括结构件局部变形、外形整体变形。结构件局部变形主要产生于结构件加工和切削过程中，变形后的表现为局部弯曲或让刀等，多发生于道具与工件的接触位置。此外，航空薄壁结构件刚性较弱，这也会导致零件产生局部变形，而且零件的局部尺寸存在差异，零件形貌也会稍微差一些。其次，零件外形整体变形后的表现为加工后出现扭曲、弯曲等现象，在放置较短时间后也会出现变形情况。发生这种情况的根本原因为：在材料完成切割后，本身的内应力会重新分配，加工时温度也会发生变化，一旦放置环境发生变化，结构件外形就会随之改变。除此之外，热胀冷缩也是结构出现外形整体变形的关键原因，在某种特定温度下，如果加工过车间温度、零件运输温度及车间后期温度无法保持一致，将无法解决热胀冷缩问题。只有有效解决上述现象，才能对航空薄壁结构件数控加工变形问题进行有效控制[1]。

2 航空薄壁结构件数控加工变形控制思路

针对航空薄壁结构件数控加工变形问题，可以在有限元分析技术的基础上对其进行探究，即以商业软件ANSYS为基础，全面评估变形、应力之间的关系。另外，还应该分析结构线性、非线性行为以及瞬间动力学，充分掌握结构与荷载之间的联系。在建设结构件模型时，应该重点强调细节部分，剩余部分可在实际结构件的基础上完成建模。实际上，模型一直处于最好的状态，只有在这种情况下才能保证结构件的安全性。对于弧形件而言，其刚度和平面刚度比较差，在加工过程中如果受到切削力和夹紧力，就会发生变形。从材料力学的变形理论进行分析，材料在受到外力作用时会产生变形，而应力大于材料的屈服强度时，就会出现塑性变形。对于环形件而言，其径向变形一般为椭圆，需要对以下内容进行分析：一是内应力，需要在结构件内应力情况的基础上分析加工变形规律；二是切削力，在数控加工过程及切削参数选择下分析零件所受切削力；三是装夹限制，在所选择的装夹位置下分析零件夹紧力[2]。

3 航空薄壁结构件数控加工变形控制策略

3.1 加工过程中的变形控制

加工零件在受到装夹力、切削力作用时，就会发生变形，通过对变形现象分析，得出该种变形属于弹性变形，在装夹力、切削力消失后就会恢复到原来的形状。但是，在加工过程中，刀具的切削位置和切削量会发生改变，导致零件表面出现变形、过切等问题，而在航空薄壁结构件数控加工过程中，弹性变形会导致出现很大的误差。对于加工过程中出现的变形，可以采取以下措施进行控制。

3.1.1 优化数控加工切削参数

对于现阶段的数控加工而言，切削参数的选择一直影响着数控零件加工，在这种情况下，如果切削参数不合理，刀具严重磨损，结构件表面残余力会随着切削力的增加而增加，同时加工质量会急速下降，最终增加加工成本。所以，一定要对数控加工切削参数进行合理优化和选择。目前，切削参数的优化包含很多种方法，其中以生物进化理论为主的基因算法，可以实现多种参数的应用，从而完成全局探索及优化，该种算法已经取得了非常好的效果。

3.1.2 优化结构件装夹方案

结构件变形控制中最关键的一项举措就是优化装夹方案，对于工艺系统刚性的提供具有重要意义。

3.1.3 采取适当的补偿措施

如果仿真加工后的结构件发生变形现象，可以采用数控补偿程序进行补偿，对结构件的变形程度充分考虑，在更加精准的要求下完成结构件加工变形补偿。

3.1.4 切削技术的合理应用

切削技术中的高速加工技术已经成为人们重点关注的技术之一，加工系统在特定环境下会发生相应转变，切削力不断减小，为航空薄壁结构件的加工工作提供一定帮助。在上述情况下，结构件表面残余应力、机械和热应力减小，真正促进了航天事业的良好发展。

3.2 加工后的变形控制

航空薄壁结构件在数控加工后仍然会发生变形，针对这种现象，可以通过以下手段予以解决。

3.2.1 科学使用预拉伸板材

如果结构件对纤维流向没有特殊要求，可以使用预拉伸板材。实践表明，预拉伸板材内部的残余应力比较小，在切削加工时不会发生严重的变形现象。在采用这种方法加工零件时，如果材料、加工成本都不增加，零件强度也会下降，因此需要按照实际情况采取相应策略，防止航空薄壁结构件数控加工质量受到其他因素的影响。

3.2.2 合理设置结构件刚度

对于航空薄壁中的弧形零件，可以采用增加横杆支撑的方式，有效防止加工过程中突发变形，直接影响数控加工效率。只有充分掌握结构件的装配要求、应力状况，才能对结构件的刚度进行合理选择。

3.2.3 有效清理结构件内部的残余应力，真正提高设计水平

在结构件设计要求下，应该消除结构件内部的残余应力，这样才能提升设计水平，有效控制因素影响、改变变形情况。例如，正常使用设备时，可以合理增加热处理工序，从而对内应力引发的变形情况进行合理控制[3]。

3.3 结构件外形轮廓整体变形控制

航空薄壁整体结构件的特点为，在加工过程中要消除很多材料，通过分析结构件的截面形状，发现其非常复杂，只有在材料加工过程中结构件的宏观应力才能正确释放。在实际工作过程中，如果内应力分配情况不同，那么结构件的变形程度也会发生一定转变。要想对内应力引发的航空薄壁结构件数控加工整体变形情况进行控制，需要采用以下方法。

一是从原材料方面入手，要选择应力分布比较均匀的原材料。导致结构件整体变形的原因为内应力，所以只有选择内应力较为均匀的原材料才能进行合理测量，才能有效避免整体变形情况的发生。二是在原材料的基础上进行毛坯内应力的预释放，可以根据实际情况选择适当的方法。三是研究人员进行仿真机实验，会对航空结构件的安全校正理论进行分析，从而提出一个针对性较强的校正方法，实现航空薄壁结构件数控加工变形控制。