航天薄壁结构件数控加工变形控制研究

黄立新 胡强辉

摘 要：随着我国科学技术不断发展，也带动了我国航天事业迈向了新的台阶。在航天薄壁结构件数控加工过程中，由于薄壁金属内应力不足，在加工过程中容易出现变形情况，严重影响结构件的生产质量。基于此，本文重点探究航天薄壁结构数控加工变形控制的方法。

关键词：航天薄壁；结构件；变形控制；方法

卫星推力装置用于卫星的姿态或轨道控制任务，是航天设备中的重要组成部分，在制造过程中对自身重量要求非常高，这也导致了薄壁结构件成为了必然趋势，通过公析数控加工技术现状可以发现，影响加工精度的因素非常多，并且这些因素之间相互作用，相互影响。为了能够满足高性能的推动效率以及结构刚度，需要全面利用卫星内部空间，尽量采用整体、网状及复杂薄壁结构等特点的零件，采用车、铣及电火花加工，但由于薄壁结构件刚性等问题影响，在生产中变形问题也较为严重，无法保证加工精度。这就需要加强对工艺方法进行优化，减小薄壁结构件在加工过程中变形的几率，保证航天设备制造质量。

1、航天薄壁结构件数控加工中的变形控制

现如今，通过有限元分析技术对结构件数控加工过程进行分析可以发现，通常都是采用ANSYS软件控制，对薄壁结构件变形系数、应力系数、应变幅度进行全面评估的效果较好。通过调查结果表明，导致数控加工变形的因素包括：（1）对不同切削量、速度、进给量、参与应力等进行分析，找出这些数据和加工变形数据间的关系以及变化影响，从而设定更加合适的切削参数，这样即可保证结构件的加工精度，并提高加工效率；（2）科学改进装夹方案。重点考虑压板位置与数量、定位元件结构与位置、夹紧力大小等因素，如果某个因素产生了变化问题，都会给整个元分析模型带来直接的影响，从而造成结构件变化问题。这就需要结合最终得出的改进策略，如改變弧形件定位孔的位置与数量、压板位置、夹紧力等；（3）零件加工前材料的弯曲、热处理等方面，评估零件加工中的残余应力分布情况，也可以采用切削加工方法计算出不同材料的残余力变化情况。通常情况下，结构较为复杂的零件内部应力都不均匀，采用元分析技术可以让零件热处理变得更加简单，再融入ANSYS软件，即可得出结构件内部温度差以及应力分布状态。

2、薄壁结构件件数控加工变形控制策略

2.1加工中的变形控制策略

在进行航天薄壁结构件加工当中，其加工中的变形情况更多是受到装夹力、切削力的影响，这些变形问题也被称之为弹性变形，通常是在卸载后即可恢复到正常情况。但如果加工当中出现了变形问题，道具依然是按照设定轨迹切割加工，则会造成切削量、位置偏移问题。这就需要从以下几点进行控制：

（1）优化数控加工切削参数

结合数控加工实际情况来看，需要选择合适的切削参数十分重要，设置参数合理、标准可以保障零部件加工质量，如果参数选择不符合标准，会造成切削过大、增加道具磨损、提高零件表面参与应力等各类问题，最终会影响加工质量、成本、效率。所以需要优化加工切削参数，这对加强航天薄壁结构件加工质量有着重要意义。想要优化切削参数可以采用基因算法，并且在方法在很多生产系统中都有不错的变现，是控制薄壁结构件变形的重要措施之一。

（2）优化零件夹装的方案

结合航天薄壁结构件数控加工的实际情况，不断优化零件装夹方案，这样即可提高工艺系统的刚性，也可以全面提高航天设备制造当中的结构性能，结合结构件的型号、种类，对零件夹装方案进行优化调整，从而加强结构件加工变形控制，保障零部件整体质量。

（3）制定合理的数控补偿措施

为了能够减少实际生产中的失误率，可以通过模拟技术对零部件加工进行模拟计算，采用相关数据设计更加合理的数控补偿程序，分析原有的道具加工痕迹，以及零件变形的偏移值，这样即可实现对结构件加工变形后的数控补偿，从而提高结构件的加工精度。

（4）运用高速切削技术

当今新型的加工技术层出不穷，而高速切削技术的出现，可以最大程度上减少加工时间，从而控制加工变形，减少加工中的各项因素所带来的变形问题。流入在高速切削作用下，可以将结构件的残余应力变得很小，同时也会减少机械应力和热应力效应。

2.2加工前后变形的控制策略

（1）热处理减少变形

通常情况下，合理的热处理工艺可以减少材料变形问题。首先，控温正火或等温退火，在正火时采用等温淬火可有效地使金属组织结构趋于均匀，从而使其变形量减小；其次，合理的冷却方法，采用分级冷却淬火能显著减少金属淬火时产生的热应力和组织应力，是减少一些形状较复杂工件变形的有效方法。

（2）结构件刚度与结构设计

例如在弧形结构件加工当中，要增设横杆支撑的方法，这样可以避免出现加工变形等问题，保证弧面加工质量。但是需要工作人员精准掌握结构件应力情况，并结合实际情况正确选择结构件刚度。工件应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性，以减少由于冷却不均引起的畸变；工件应尽量避免尖锐棱角、沟槽等，在工件的厚薄交界处、台阶处要有圆角过渡；尽量减少工件上的孔、槽筋结构不对称；厚度不均匀零件采用预留加工量的方法。

（3）去除残余应力

结合结构件的设计标准，需要去除结构件内部的残余应力，提高结构件的设计水平，这对减少负面因素的影响和变形控制有着重要作用。如在设备矫正过程中，可以适当增加一些热处理工序，这样可以减少结构件的内应力，从而降低产生应力变形的几率。也可以采用豪克能技术，该技术是一种金属强化技术，提高金属耐磨性，而且加工过后可以预置残余压应力，减少微观缺口效应，增强疲劳强度，延长工件的使用寿命。

结束语

综上所述，随着我国航天事业不断发展，对薄壁结构件的生产要求越来越高。但是在薄壁结构件加工中，变形问题层出不穷，针对此类问题，必须要加强对数据加工变形的研究和分析，提出加工过程和加工后的变形控制，从而提高结构件的加工质量，保证结构件的整体性能。

参考文献：

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[2]梅中义， 高红， 王运巧. 航天设备铝合金结构件数控加工变形分析与控制[J]. 北京航天航天大学学报， 2009， 35（2）：146-150.

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