冯妍婷
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150060
摘要：在航空薄壁框类零件加工过程中，因为结构的厚度较薄、刚度较低、工艺条件较差，因此在铣削加工过程中，很容易出现变形的情况，这也将直接影响到零件加工精度，提升零件结构的加工效率。本文针对零件铣削加工变形的主要影响因素展开分析，结合在加工过程中产生的相关问题，通过研究一些针对性解决措施，其目的在于提高零件生产质量，减少性变量问题的出现。
关键词：航空薄壁框；切削速度；切削进量；切削深度
在航空类零件的制作过程中，对整体金属板料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型薄壁结构零件，以提高飞机的机动性、可靠性和隐身性，单纯通过高速切削技术已不能满足此类零件制造精度要求，最突出问题之一是存在难以控制的加工变形和表面较强的残余应力分布。通过对铣削加工过程进行深入研究 ,实现铣削力和加工变形的实时程序预测，进而优化切削用量是铣削加工研究中值得关注的问题。针对此类情况采取一些可靠的应对措施，不仅可以优化材料的加工过程，而且对于延长结构使用寿命也有着积极地意义。
1航空薄壁框类零件铣削加工变形的机理分析
1.1切削速度过大或过小
结合以往的经验可以发现，在零件加工的过程中，切削速度属于影响情况比较严重的因素之一。为了验证此项理论，在实际应用中，可以通过实验的方式来完成该内容，具体的实验内容如下：调整机床中的各项应用参数，其中切削的深度、工具进给量、热力耦合参数保持不变，改变机床的切削速度，初始速度调整为49.76 m/min ，随后逐渐调高整个过程的切削速度，观察零件的形变情况。如果在实验过程中，出现了形变量过大，已经不满足生产质量要求时，此时便可以暂停试验，统计数据进行分析，得到可靠的数据分析结果。根据相关试验数据可以得知，在切削速度低于49.76 m/min时，此时结构处于切削缓慢的状态，而且整个过程存在较大的余应力，结构也会出现一些形变的情况。在切削速度保持在49.76 m/min 到75.47 m/min之间时，此时结构会出现一些切屑的情况，但是并不是特别凸出，边缘结构依旧处于比较圆润的情况。在此之后继续调增切削速度，在速度达到97.16m/min时，此时零件在加工时会出现一些较大的形态变化，而且形变量也开始向着不规则的方向发展。继续调增切削速度，当切削速度超过124.41 m/min时，那么此时结构的形变量已经达到了无法满足质量允许的状态，由此可见，切削速度对于构件形变会带来非常大的影响。
1.2切削深度的变化
在零件加工的过程中，切削深度变化也会影响到结构形变量。与验证切削速度影响情况相类似，同样的需要拟建一个试验来验证该理论，在实验中将切削速度、工具进给量、热力耦合等参数内容保持不变，同时来调整切削深度。在初始状态下，其深度可以为0.20mm，然后对该状态下零件形变情况进行了解。如果在实验过程中，出现了形变量过大，已经不满足生产质量要求时，此时便可以暂停试验，统计数据并得到可靠的数据分析结果。根据相关试验数据可以得知，如果单次切削深度控制在0.20mm以下时，此时结构切削量较小，会出现一些毛边的情况，不过毛边并不明显。在切削深度在0.25mm到0.30mm之间时，此时构件所处状态最佳，同时也是非常良好的应用状态，但是在超过0.30mm之后，零件在加工时会出现一些较大的形态变化，当切削深度超过0.35mm时，此时零件的质量已经无法满足要求了。由此可见，切削深度对于构件形变会带来非常大的影响[1]。
1.3工具进给量
在零件加工的过程中，工具进给量也会影响到结构形变量。与验证切削深度影响情况相类似，同样的需要拟建一个试验来验证该理论，在实验中将切削速度、切削深度、热力耦合等参数内容保持不变，此时将工具进给量来作为实验的因变量，初始的工具进给量可以调整为0.15 mm/r，随后逐渐增加工具进给量，记录此时构件的形变量变化情况，便于后续数据分析时使用。根据相关试验数据可以得知，如果工具进给量控制在0.15 mm/r以下时，此时结构切削量较小，会出现一些毛边的情况，不过毛边并不明显。在工具进给量在0.15 mm/r到0.25 mm/r之间时，此时构件所处状态最佳，同时也是非常良好的应用状态，但是在超过0.35mm/r之后，零件在加工时会出现一些较大的形态变化，当工具进给量超过0.40mm/r时，此时零件的质量已经无法满足要求了。由此可见，工具进给量对于构件形变会带来非常大的影响[2]。
1.4热力耦合情况
除了上述提及到的应用内容外，热力耦合情况的出现，也将会影响到整个结构的形变情况。在金属材料切削的过程中，切削刀具的尖端面会与材料进行直接接触，同时对其进行一定程度地施压，在此过程中存在着能量的交替，将材料的机械能转换为了热能进行释放，那么金属在热力耦合的作用下很容易出现塑性变形的情况，从而影响到切屑情况。对此在应用阶段，还可以通过如下公式来完成计算：（K1+K2）d=∫ＶＢ1εｄv－∫ＶＢ1Ｒｄv ＋Ｆ，其中K1和K2分别表示零件弹性矩阵和结构刚性矩阵。由此可以判断出热力耦合状态对于切屑情况的影响性[3]。而且在应用中，通过改变其中某一参数，那么对应其他参数也会发生相应变化，这也是后续进行形变控制的重要参考内容。
1.5机床相关参数
除了上述提及到的影响因素外，在具体的应用过程中，机床参数也会带来一定的影响，具体可以分为以下几类情况：第一，机床的运行功率，这也直接影响到切削速度，从而影响到工件制作结果的可靠性。第二，机床的控制精度，目前机床在运行过程中，所选择的控制方式多以集中控制为主，结合航空工件的特点，选择恰当的允许生产误差，从而提高机床控制参数的合规性和可靠性。第三，机床刚度，航空工件许多都是硬质金属，对其进行切削，需要匹配刚度更大的刀具，刀具匹配度的合规性，以及道具配合过程中的切削速度，也将直接影响到了生产结果的合规性[4]。
2 航空薄壁件加工变形的应对策略
2.1做好变形补偿工作
通过做好变形补偿工作，可以对工件形变情况进行优质处理，从而提高工件生产结果的合格性[5]。结合以往的生产较高经验，工件出现切削变形的本质原因是内部应力平衡发生变化，从而形成了回弹形变。因此在处理阶段，可以对其采用调试路径的方式，在切削前期对于结构回填量进行有限元计算，明确有限元计算过程中，不同指标对应的权重占比，提前做好该方面的处理工作。根据计算结果对切削深度、切削速度、进出量进行控制，并结合实际情况对于一些参数信息进行优化处理，从而起到消除回弹误差，提高工件生产表面的平整性和生产质量的作用。
2.2优化原有工艺路线
通过优化原有工艺路线，可以对工件形变量进行有效控制，从而降低带装夹力带来的影响。在具体的处理过程中，可以将整个加工过程分为粗加工和精加工两部分内容。前者在处理过程中，需要采用较大的夹紧力来进行工件的初步成型，而且在此过程中，也需要做出适当“留白”，为精加工处理工作的进行奠定基础。一般情况下，在此过程中会选择热处理的方法来消除工件生产过程中所产生的残余应力，同时对于走刀路径进行优化处理，如可以选择小切深、中进给、分层切削的方式来完成工件粗加工，以此来提高加工期间误差的控制水平。后者在处理过程中，是对粗加工得到的工件进行进一步处理，同时对于加工顺序进行调整，使其可以逐渐达到既定要求，在此过程中，需要对构件进行精准定位，并对切削刚度进行控制，从而提高控制结果的可靠性和有效性[6]。
2.3优化刀具切削参数
通过优化刀具切削参数，能够优化工件的加工过程，提高工件最终的加工水平。在具体的处理过程中，各参数内容满足于以下公式：V=f·n·a，其中V表示刀具的进给速度，计量单位是mm/min；f表示刀具每次的进给量，计量单位是mm/齿；n表示刀具在运行过程中系统的主轴转速，计量单位是r/min；a表示刀具上已有齿数，计量单位是个。根据该公式来完成相关参数的计算工作，并且在切削的过程中，也需要遵循“少切快跑”的原则，以此来稳定工件的加工过程，提高加工结果的实用性[7]。
2.4完善工件装夹方案
通过完善工件装夹方案，可以提高工件的应用刚度，减少工件结构的形变量。在方案的具体拟定中，首要任务便是对航天工件结构加工要求、应用特点等参数，对于结构的形变量进行合理计算，以此来确定工件加工过程中的薄弱位置。结合薄弱位置的相关参数，拟定相应的夹紧方式、夹紧方案，从而使结构综合作用力与力矩可以尽量降低，而且还能够有效提升工件本身的工艺刚度，降低振动形变问题的出现[8]。另外，对于切削振动情况也需要做好优化控制，并且对于几何精度、生产精准度等参数做好控制，而且在此过程中，可以利用传感器设备对于数据信息进行采集，同时利用数据库技术对其进行存储，定期进行汇总整理，从而起到提升构件应用效果的作用，降低结构形变问题的出现几率。
2.5建立仿真应用模型
通过建立仿真应用模型，能够更加直观地评估各项参数信息的合规性，加快相关问题的发现速度。在具体的建立过程中，需要对原有模型进行适当简化，使其可以更加容易被计算，从而得到可靠的计算结果。在实际处理过程中，会将原来的构件进行分析，将零件上的孔洞、凸起进行适当简化，使其可以转化为较为简单的数据模型。例如可以将每一个平面作为独立面，将整个构件模型划分为多个平面，分别标记为A面、B面、C面、D面等，同时还需要确保平面差和垂直误差的合规性，从而起到节省参数计算时间成本，提高模型计算结果实用性的作用。另外，在完成数据信息计算之后，也可以利用大数据技术或BIM技术对于呈现出的模型进行展示，对于一些细节性内容进行优化处理，这也提高了数据参数设计的合规性，提升了数据模型设计的合理性。
结束语
综上所述，在薄壁零件铣削过程中，受到许多因素的影响，有时会导致一些结构形变的情况出现，这也将直接影响到结构最终的成型合格率。通过采取合理措施来优化整个加工过程，不仅可以降低此类问题的发生几率，而且对于提高零件生产精密度也有着积极地作用。
参考文献
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