航空铝合金结构件数控加工变形及控制

闫琦

【摘 要】 铝合金整体构件都具有其壁薄、体积大、刚度差和易变性的特点，这就导致了其在加工时加工周期长、切削加工余量大和加工精度难控制的缺点。而目前大型商用客机由于性能要求的提高，对于飞机的整体腹板、整体梁和长缘条等部分的制造加工要求也越来越高。这就要求拥有更细致和更可靠的控制铝合金加工变形技术。

【关键词】 航空铝合金 结构件 数控加工变形 控制

铝合金的耐蚀性好、密度较小、有较好的成形性、而且其资源丰富、数据充分、成本不高，性能也在逐年不断地提高。航空整体结构件数控加工变形的问题涉及到了材料成型加工、力学、机械制造以及切削加工等多个学科领域。对飞机零件进行薄壁化设计可以有效地控制飞机的重量，结构的整体化可以大大的影响生产效率和制造的成本，还可以减少零件的数量以及连接装配的工作量，因此我们应该重视切削加工工艺的提高，不断地创新和优化其加工工艺，进一步控制大型整体结构件加工过程中的变形。

一、航空铝合金结构件数控加工变形的现状

随着经济的发展和时代的进步，一些现代大型的商用客机对于性能的要求也在不断地提高，普遍的采用了直接掏空那些整块的大型的毛坯，然后加工成复杂的整体结构，如一些减轻孔、筋条、槽腔等，此种方法多运用于大部分骨架零件尤其是主承力结构件上。但是由于结构件加工的整个过程周期比较长，加工的精度和质量都很难控制，切削加工时易受到一些因素的影响从而产生变形，因此当前航空制造业所面临的一个重要难题就是实现高效率、高精度和高可靠性的切削加工。航空制造业对于零件的质量和精度要求都非常高，它对于形位的误差以及加工的精度甚至比汽车制造业要高出许多，虽然航空所用的铝合金材料具有较好的切削性，但对于航空铝合金的高效切削加工研究也是目前面临的一个焦点问题，解决大型航空整体结构件的关键技术是高效加工的工艺，也就是切削工艺优化与高速加工技术的有效结合。所谓的高效加工技术即为了保证加工的精度以及便面的质量从而在加工过程中运用短而有效的单件加工时间和高材料去除率，而其中高效的切削技术是实现高效加工工艺的关键技术。

二、影响航空铝合金结构件加工变形的主要因素

就目前情况来看，在整体的加工过程中存在了很多的问题，它在选择加工参数的时候比较保守，从而出现一些不合理的状况，而且在确定加工工艺的时候缺乏了一些相关理论研究的支撑，在确定加工工艺的时候是在以往经验的基础上运用了试切的方式，这种方法降低了结构件加工的效率，使高速加工中心的性能不能得到充分的发挥。从铝合金结构件数控加工过程中存在的问题深入研究分析，进一步总结出了引起整体结构件加工变形主要分为三个方面的因素。

1、加工参数的不合理

目前的航空构件制造业在材料加工过程中，由于对于力学、机械制造和切削加工等多种不同科学领域的涉及，导致了加工理论研究难度的加大，很难进行系统性的控制加工变形理论研究和切削加工时变形的理论分析。在这种情况下，航空构件的加工只能采取试切的态度，对于加工参数的选择就会十分保守。高速加工中心无法进行最有效的加工，很容易引起切削颤振，切削颤振会直接导致构件的薄壁部位变形。

（2）切削力的副作用

据物理学理论分析，在金属材料的加工过程中，在切削力的作用下，零件的加工表面会产生残余应力，这种残余应力会导致零件的变形。在通常情况下，航空大型构件的材料加工是采用大悬伸刀具，强大的切削力度会导致产生更为突出的残余应力，这样极容易出现航空铝合金在加工中的变形现象。

（3）“让刀”现象

“让刀”在加工工艺中主要是指在一次加工行程结束后，工件或工具回到一开始的位置并相互离开一定距离。这里的“让刀”现象指的是在航空构件制造的材料加工中，由于铝合金的屈强比大和弹性模量小，在加工切削时很有可能会产生回弹，从而对被加工的零件产生一定的形状误差。这种现象在大型薄壁构件的切削中尤为明显。航空构件的大型薄壁位置本身就比较多，所以“让刀”现象也成为了造成铝合金材料变形的主要原因之一。

三、控制铝合金结构件数控加工变形的措施

1、如何消除薄壁零件局部变形

想要控制薄壁零件在加工过程中的各种变形问题，其解决的主要途径之一就是要处理好零件局部的刚度和切削力两者之间的关系，也就是说利用零件剩余刚度和降低切削力是减轻、消除薄壁零件局部变形的一个主要的方式。

4.2如何消除零件外形的轮廓整体变形

整体结构件的特点是零件在加工的过程当中需要去除很多的材料，同时零件的截面形状相对复杂很多，零件的原材料当中的宏观内应力会在材料不断进行加工的过程中逐步的释放出去。通过对实际状况的研究我们可以看到如果内应力的分布是不一样的，那么零件产生变形的程度也会是不同的，同時变形的程度会同材料在切除的过程中如果力矩不平衡那么就会直接影响零件的变形。

要克服内应力所引起的整体变形，在整个航空结构件数控加工的过程中主要采用下面的几种方法：首先，从原材料方面看我们要选用应力分布相对均匀的原料；其次是可以根据原材料的不同来进行毛坯内应力的预释放，这里面包含有两种方式我们可以根据实际的情况来选择不同的释放方法；最后一种方式是通过机械的方法来校正已经发生的整体变形零件。

结束语

有效的控制和解决航空整体结构件加工变形的问题成为了如今航空制造领域中最关键核心的技术问题，而通过一些高效的切削技术和对工艺参数的合理选择以及有效的改进装夹系统等等，都能够有效的控制结构件的加工变形，也能够使航空整体结构件达到高效精密加工的效果。各大航空制造企业应该总结以往的实践经验和不足，在引进国外一些先进高端技术和设备的基础上，不断地进行自主研究创新，并借助当前一些研究所和高校的技术、研究条件以及人才的优势，进一步的实现航空整体结构件的精密高效加工。

【参考文献】

[1] 兰国玮.航空铝合金切削工艺数据库系统的研究与开发[D].厦门大学，2014.