潜心加工变形研究 助力航空产业发展—— 记南昌航空大学秦国华教授

◎ 文/李 冲

相对于航空整体机构件，加工变形或可称为一件“小事”，但之于整架飞机，它却是一件实实在在的“大事”。

航空整体机构件，就是飞机的大梁、骨架、隔框、壁板等具有固定的形状并能够承受载荷的单个零件或组件。

随着航空工业的发展，现代飞机大量采用重量轻、结构效率高、装配工作量小、可靠性高的整体结构件，但受各种因素影响，其加工结束后往往产生弯曲、扭曲或弯扭组合等变形，致使加工精度难以达到设计要求。航空整体结构件加工变形控制，已成为航空制造业关键技术难点之一。

南昌航空大学秦国华教授领衔的“航空整体结构件‘装夹-工艺-应力’的加工变形控制理论与技术”项目，就是为解决这一技术难点而开展。

需求导向，创新指引

这是一个生发于企业现实需求的课题。

长期以来，在航空整体结构件的数控加工过程中，零件加工完后的变形一直是影响零件质量的重要问题之一。

秦国华介绍，有大量研究表明，零件毛坯的初始残余应力是影响零件最终变形量的决定性因素，影响所占权重高达90%以上。但目前，关于毛坯残余应力的分布和水平与零件变形之间关系的研究还处于一个比较低的层次，其假设条件和研究方向与工程实际有较大的出入，研究结果自然也无法应用于工程实际。

随着飞机性能要求的提高，航空结构件的变形问题日益突出，迫切需要对航空结构件的变形与毛坯初始残余应力之间的关系进行系统研究。

为此，自2006年起，秦国华带领项目团队，通过产、学、研联合攻关，着力从装夹性能、加工变形分析与控制两方面进行了系统、全面的基础理论研究和技术创新探索，并取得了系列创新成果。

装夹性能研究是团队第一阶段的研究重点。

他们依据工件在装夹布局中的运动和受力状态，建立了工件装夹的性能评价模型及其求解算法，提出了定位确定性、力的存在性、力的可行性等装夹性能的判定条件和评判标准，提高了解决实际制造问题的科学性。

他们利用取值范围或取值表面的离散化方法，通过构建合理的终止条件，将连续的装夹布局规划方法转变为离散型的装夹性能迭代分析方法，丰富和发展了计算机辅助夹具设计的基础理论，改变了一般工艺中夹具设计的经验性方法，突破了以往开发计算机辅助夹具设计系统的局限性。

以上成果在湖北鼎福汽车工具有限公司、江西洪都航空工业集团有限责任公司等研究中进行了推广应用，解决了诸如液压筒和底座等之间的准确对接定位问题，焊接出来的液压千斤顶一致性好，合格率几乎达到100%。

良好的应用效果给了项目团队极大的信心。2015年起，团队受中航工业成飞集团数控厂的委托，开始了第二阶段也就是航空薄壁件的加工变形控制问题研究。

结合航空整体结构件的装夹方式，他们研究和揭示了残余应力水平、分布及释放状态下的零件变形机理，建立了零件在毛坯中的加工位置优化模型及其步长递减算法，拓展了企业目前实际使用的“零件在毛坯内上、下空间余量相等”的中间位置加工法。在江西华友机械有限公司机翼缝翼垫块薄板件、江西绿阳光学仪器制造有限公司中航空发动机宽弦空心风扇叶片等的加工中应用后，使加工变形减少了99%。

此外，他们还通过单位力法将零件变形转换为结构因子与残余应力之积，根据零件变形不超出加工要求这一约束条件，建立了残余应力的控制规范模型及其枢轴变换算法求解方法，为切削上游工艺提供了合理的应力指南。实际应用中，已为中航工业成飞集团数控厂评测毛坯进厂的应力合理性提供了理论指导。

相关应用实践表明，项目所形成的“装夹-工艺-应力”一体化系列评估与控制关键技术，可有效指导复杂零件的高效高精加工，确实为解决航空整体结构件加工变形的工艺瓶颈提供了有力的技术支持，显著提高了制造业的柔性与效率，在保证产品质量的前提下，达到了缩短产品生产周期、降低生产成本的效果。

特别值得一提的是，该项目技术成果在航空航天以外的行业也有其理论意义与应用价值。

据介绍，无论是在传统制造业还是现代柔性制造系统中，为了保证加工表面相对其他表面的尺寸和位置精度，加工前所面临的关键问题都是合理地装夹好工件。而这一过程无一例外都面临着“夹具装夹布局方案的设计方法局限于设计人员的设计经验和知识水平”的困境，而项目研发的关于装夹布局规划方面的方法和技术，是将连续性的夹具设计问题转化为计算机能够处理的离散性问题，涉及到的信息仅仅是点的坐标及其法向量，因此，这一技术不仅适合于任意形状的零件，也适合于弱刚性的薄壁零件。

同时，团队形成的毛坯初始残余应力控制规范，同样可为汽车、机械制造领域等复杂构件的加工变形控制提供理论支撑。

这意味着，这一成果对于我国航空、汽车、机械等制造领域复杂构件的制造水平和质量提升，均具有重要意义。

产学研助力，高质量发展

这是一个典型产学研合作模式的结晶。

据介绍，项目由南昌航空大学、江西洪都航空工业集团有限责任公司、江西华友机械有限公司等合作攻关完成。其中，南昌航空大学牵头理论研究、技术攻关与推广应用；江西洪都航空工业集团有限责任公司等承担项目中残余应力测试的材料及加工，以及典型构件的现场实验工艺指导；江西华友机械有限公司则承担工业试验研究和产业化应用，研发相应装夹布局的具体夹具结构。

换言之，高校和研究院所负责基础理论研究分析与试验验证，企业负责在线技术验证与信息反馈，三方相互配合，通力合作，共同研发新技术、新产品并实现产业化。

在这一较为稳定的产学研战略合作模式下，项目实现了从理论到技术再到应用各个层面的突破，也收获了各方面的高质量发展。

迄今，该成果共发表论文98篇，其中SCI收录21篇，EI收录83篇，其中多篇文章得到业内专家高度评价；出版学术专著1部，授权国家发明、实用新型专利21件，获得计算机软件著作权1项；获得陕西省科学技术一等奖等科研奖励5项。

经济方面，仅在2017-2019年的推广应用期，就实现了新增销售额1.16亿元，新增利润2.25千万元的成绩，效益显著。

合作中，南昌航空大学努力提升本校相关学科发展之外，还积极加强基地建设及促进团队建设，以“江西省航空构件制造技术工程实验室”“江西省航空制造业协同创新中心”“江西省航空宇航科学与技术研究生教育创新基地”等为基地，以协同创新中心等为依托开展产学研合作，与一批行业企业及研究院所建立了长期稳定的合作关系，为自己也为企业培养了一批专业技术人才与后备力量。

自古成大事者，应大处着眼，小处着手。只看大处，不重小处，难以落地；只顾小处，不睬大处，难以长远。科学研究亦是如此。秦国华“大处”是航空安全，“小处”就是航空整体结构件加工变形及控制技术这件“小事”。

正因为秦国华等无数科技工作者从小处出发，把件件“小事”当作自己的终身志业，十几年如一日潜心攻关，才有了大家心中响亮的“航空安全无小事”。