航空鋁合金結構件數控加工變形及控制

申霖

【摘 要】隨著航天工業數字化設計以及制造技術的迅速發展，飛機設計結構也發生了變化，對現代飛行器的性能要求逐漸的提高，航空結構件的整體化成了一種發展趨勢，以鋁合金材料為主的整體結構件已廣泛應用于航空航天領域。本文分析了當前我國的航空鋁合金結構件數控加工變形的現狀和存在的一些問題，并根據具體情況和影響鋁合金結構件加工變形的一些主要因素提出了相關的控制措施。

【關鍵詞】航空鋁合金；結構件；數控加工變形；控制

鋁合金的耐蝕性好、密度較小、有較好的成形性、而且其資源豐富、數據充分、成本不高，性能也在逐年不斷地提高，因此現代民用大型飛機中鋁合金是不可缺少的主要材料之一。

航空整體結構件數控加工變形的問題涉及到了材料成型加工、力學、機械制造以及切削加工等多個學科領域。對飛機零件進行薄壁化設計可以有效地控制飛機的重量，結構的整體化可以大大的影響生產效率和制造的成本，還可以減少零件的數量以及連接裝配的工作量，但由于大型航空整體結構件形狀復雜以及整體的剛性較差等，這就導致了在零件加工的過程中容易產生變形，因此我們應該重視切削加工工藝的提高，不斷地創新和優化其加工工藝，進一步控制大型整體結構件加工過程中的變形。

1.淺析航空鋁合金結構件數控加工變形的現狀

隨著經濟的發展和時代的進步，一些現代大型的商用客機對于性能的要求也在不斷地提高，普遍的采用了直接掏空那些整塊的大型的毛坯，然后加工成復雜的整體結構，如一些減輕孔、筋條、槽腔等，此種方法多運用于大部分骨架零件尤其是主承力結構件上。但是由于結構件加工的整個過程周期比較長，加工的精度和質量都很難控制，切削加工時易受到一些因素的影響從而產生變形，因此當前航空制造業所面臨的一個重要難題就是實現高效率、高精度和高可靠性的切削加工。航空制造業對于零件的質量和精度要求都非常高，它對于形位的誤差以及加工的精度甚至比汽車制造業要高出許多，雖然航空所用的鋁合金材料具有較好的可削性，但對于航空鋁合金的高效切削加工研究也是目前面臨的一個焦點問題，解決大型航空整體結構件的關鍵技術是高效加工的工藝，也就是切削工藝優化與高速加工技術的有效結合。所謂的高效加工技術即為了保證加工的精度以及便面的質量從而在加工過程中運用短而有效的單件加工時間和高材料去除率，而其中高效的切削技術是實現高效加工工藝的關鍵技術。

我國航空制造業的技術水平起步較晚，在飛機整體薄壁結構件制造方面，技術水平仍舊不夠高，主要還是以傳統的制造業為主，一部分的工作人員仍舊以之前的那些舊的切削工藝和主軸轉速進行結構件的加工。但隨著經濟的不斷發展和科學技術的進步，我國的航空飛機制造業在近些年也得到了迅速的發展，在以往時間的基礎上進行不斷地總結和改進，并且一些大型的飛機制造企業大力投資引進了一些先進的設備和高端的自動化水平，而且建立了一些大型的高速加工中心，進一步為飛機制造業的發展提供了有利的環境條件，其發展水平已經逐漸向一些發達國家邁進，但是在我國的高速切削水平上，與其他發達國家相比，還存在著一定的差距，主要是缺少更多的高速加工技術的支撐，沒有發揮出潛在的一些高精度、高效高速的生產能力。

2.影響航空鋁合金結構件加工變形的主要因素

就目前情況來看，在整體的加工過程中存在了很多的問題，它在選擇加工參數的時候比較保守，從而出現一些不合理的狀況，而且在確定加工工藝的時候缺乏了一些相關理論研究的支撐，在確定加工工藝的時候是在以往經驗的基礎上運用了試切的方式，這種方法降低了結構件加工的效率，使高速加工中心的性能不能得到充分的發揮。從鋁合金結構件數控加工過程中存在的問題深入研究分析，進一步總結出了引起整體結構件加工變形主要分為三個方面的因素。

（1）航空鋁合金的在切削的過程中容易產生回彈，尤其是在在大型的薄壁結構件中，這種回彈的現象更嚴重。此外，還有一個使整體結構件產生較大變形的內在因素是由于航空整體結構件的形狀復雜、薄壁部位比較多、幾何結構不對稱以及自身的剛度較差等等。

（2）在航空整體結構件進行工藝加工的流程中，鋁合金預拉伸板要經過軋制、固溶、拉伸以及時效等等一系列的工藝流程才能使機械性能可以達到理想的效果，但在加工的過程中原來的應力自平衡會在材料的不斷去除導致板內殘余應力發生釋放和重新分布的影響下遭到嚴重的破壞，然而要想使遭到破壞的應力自平衡重新恢復正常，達到新的平衡狀態，只有通過工件進行變形。

（3）工件與刀具的接觸部分會在切削力的作用下發生變形，而材料也會在刀具的作用下不斷地被切除，而且在薄壁的部分，特別影響加工精度的是工件由于產生回彈效應而出現的讓刀現象。這種現象的產生會影響到薄壁部分的加工精度。此外，刀具會影響被切削的材料，使其發生彈性和塑性變形從而消耗功，最終產生大量切削熱，發生熱變形。

3.控制鋁合金結構件數控加工變形的一些措施

優化加工工藝和改進裝夾系統，是控制大型整體結構件加工過程中變形的最有效的策略。優化的控制策略一般可以分為兩大類，第一種是以側壁加工為主要特征的加工，其控制策略分為三方面：一是為了使零件局部保持高剛度，采用分層環切的刀具路徑。二是為了避免由于讓刀而造成的加工誤差，可以根據具體不同的加工情況選擇逆銑方式，而采用順銑方式可以避免產生過切的現象。三是在選擇刀具的時候要合理的選擇道具的參數，也就是要選擇帶有一定圓角的刀具來進行側壁的加工工藝。第二種是以底面加工為主要特征的加工，其控制策略分為三個方面：一是為了在加工過程中使零件局部保持剛度，可以采用中心環切的刀具路徑。二是在選擇刀具的時候，為了使加工過程中的軸向力較小，盡量不選用那些帶有圓角的刀具。三是為了減小加工過程中的底面變形，要選擇真空夾具裝夾。

4.結束語

有效的控制和解決航空整體結構件加工變形的問題成為了如今航空制造領域中最關鍵核心的技術問題，而通過一些高效的切削技術和對工藝參數的合理選擇以及有效的改進裝夾系統等等，都能夠有效的控制結構件的加工變形，也能夠使航空整體結構件達到高效精密加工的效果。各大航空制造企業應該總結以往的實踐經驗和不足，在引進國外一些先進高端技術和設備的基礎上，不斷地進行自主研究創新，并借助當前一些研究所和高校的技術、研究條件以及人才的優勢，進一步的實現航空整體結構件的精密高效加工。 [科]

【參考文獻】

[1]蘭國瑋.航空鋁合金切削工藝數據庫系統的研究與開發[D].廈門大學，2014.

[2]張閣.航空整體結構件數控加工變形補償與軟件開發[D].山東大學，2014.

[3]張烘州，戎斌，陳潔等.航空鋁合金整體結構件數控加工變形控制現狀分析[J].航空制造技術，2012，（12）：58-61.