张森，牟建伟
(航空工业沈阳飞机工业(集团)有限公司，沈阳110034)
[摘要] 随着航空制造技术的快速发展以及对飞机性能要求的不断提高，飞行器设计趋于整体化和轻量化。整体结构件的使用对航空制造企业提出更高的要求，其中加工变形是瓶颈问题之一。研究影响航空结构件加工变形的因素及减小或抑制零件加工变形的工艺方法，对结构件加工技术具有重要的意义和价值。本文以A220项目纵梁零件为研究目标，通过理论分析、实践验证相结合的方法，对大型结构件的工艺设计与铣削加工变形控制进行了分析和阐述，突破了高速、强力切削下变形控制的技术瓶颈。
关键词：民用飞机 内应力 整体结构件 变形控制
1 零件介绍
1）结构设计情况。纵梁零件属细长梁，为PCCN1类型（关键件），外廓尺寸2788mm×142mm×179mm，重约13.022kg，去除率达95.83%，整体零件结构设计不对称，正面为双侧缘条，槽口带立筋，槽深85至94mm，背面为单侧缘条，结构开敞无立筋。
2）尺寸公差情况。理论外形面（OML面）以及局部装配面外形轮廓公差为0.25mm，其余外形轮廓公差为0.76mm。腹板厚度为5-6mm，端头处最薄处仅2mm，公差±0.17mm。缘条厚度6-8mm，端头最薄处仅2.4mm，公差±0.24mm。
3）原材料情况。原材料使用进口航空硬铝合金，牌号状态7040-T7451，材料规范BAMS 516-021，规格选用最大允许7.75英寸（200mm），定额尺寸为2900mm×210mm。
4）零件在装配厂进行组装后，交付国外总装线进行中中与中后机身对接。
5）为保证装配精度，在装配工装上设置了检查器，要求间隙6±1mm。
2.1 变形原因分析
1）毛坯初始残余应力是产生加工变形主要原因。高强度航空铝合金厚板经过各种工艺处理过程，虽然最终进行了预拉伸和人工时效处理，但是仍然存在大量残余应力，它们在板材内部达到 “M”型静态平衡。在加工过程中，随着材料不断被去除，初始残余应力的释放使工件内部力矩平衡状态产生破坏，工件通过应力重新分布和变形达到新的平衡状态。
2）外力使工件产生变形。数控加工过程就是机床通过刀具对工件做功的过程，在此过程中，切削热和切削力为重要影响因素。
2.2 施加外力仿真分析
机加件变形不可避免，轮廓公差范围内允许存在轻微的变形，图纸明确规定可以施加15磅/英尺的外力，借助仿真手段可以得到施力情况与变形程度的关系。
左侧边缘施加15lbf沿-Y方向力，最大变形为0.0363in（0.922mm），变形图如下所示。
图1 施力仿真示意图
左侧边缘施加15lbf沿-Y方向力，距离边缘12in处施加15lbf沿-Y方向力，最大变形为0.0531in（1.35mm）。右侧边缘施加15lbf沿-Y方向力，最大变形为0.017in（0.4318mm）。右侧边缘施加15lbf沿-Y方向力，距离边缘12in处施加15lbf沿-Y方向力，最大变形为0.0273in（0.69mm）。
通过仿真验证，可以看出零件零件端头处变形情况与施加15磅/英尺的力的关系。由此基本可以推断，小端头变形情况在1mm左右可以通过施力通过数控测量。
3 工艺设计
整体工艺流程如下：
料检（纤维方向、牌号、尺寸）→备料→数控铣→钳工修整→清洗→数控测量→电导率测量→半检→试装→渗透检查→阳极化+底漆+面漆→标识→终检→交付
3.1 设备、机床附件与辅助用具
1）使用大功率、高精度、高刚性、高稳定性的德国Ecospeed F 2040六坐标高速加工中心进行研制，切削速度快、转速高，卧式主轴保证切屑快速排出，利于其变形控制。
2）机床配备完整附件，具备较强侧面加工能力，可自动交换角度铣头，一次性装夹可完成空间任意角度结构加工，可减少翻面次数和工装使用数量。
3）机床采用机外平台上集中装卸毛坯和零件，减少装卸零件过程中的停机等待时间，提高设备的利用率并缩短加工周期。
4）根据平台特点，装夹方式在虎钳、反向拉钉、真空吸附、螺栓固定中灵活选取，面对机床平台拉钉位置固定间隔的情况，自行设计转接板用于粗铣装夹。
5）采购进口高性能刀具，保证表面光度。对于槽口较深的情况，采用刃长达100mm的φ25R3硬质合金铣刀，保证缘条精铣光洁度。
6）设计并制造真空铣夹用于最终精铣，保证切削稳定性。
3.3 切削优化
零件经过前后三次试切，分析试切结果，不断调整切削方案，采取一系列工艺措施用于控制零件变形。
1）工艺余量优化。考虑零件变形严重，最初精铣余量设定为5mm，粗铣后使用百分表测量零件外形面没有发生明显形变，证明材料内部应力没有得到有效释放。逐渐优化调整为2mm，使半成品零件中内应力得到最大程度释放。
2）辅助夹具优化。在虎钳释放后，零件出现变形，这时保证其在自由状态下重新装夹，以达到消除变形的效果。由垫片支撑改为可调辅助支撑，节省了装夹效率并提高了稳定性。
3） 保证卧式机床切削时工件与原材料连接强度的同时，尽可能多的去除装夹用工艺块，多处开槽释放应力。将最终切断时留出的工艺连接筋从整体改为分段，减少约束，针对端头易变形处，断开余料并重新装夹。
4）在真空铣夹上增加定位支撑，提高端头断开余料后稳定性。
5）在刀具选定基础上，按照机床性能选取合理切削参数。粗铣切深由20mm/层下调到5mm/层，降低强力切削带来的冲击。有针对性的将加工顺序调整为先加工端头后加工中间。
6）针对预拉伸板应力分布特性与变形情况，减少零件翘曲一侧的去除量，改变了零件在毛料中的位置。
7）增加时效时间，由7天增加至20天。
4 加工结论
零件经过小批量试制，加工方案固化，零件质量趋于稳定，完全符合装配要求，并且零件变形控制要优于大部分外购件。反复试切的同时，积累大量结构件加工经验，通过采取工艺手段有效控制变形，不再依靠蛮力矫形，有利于规避疲劳断裂风险。
5 未来展望
零件在反复装夹释放应力的同时，浪费了大量时间，不符合自动化生产的理念，采用液压原件设计柔性自动装夹工装，反复松开装夹，释放工件由于材料去除产生的变形，重新装夹后继续加工，工件产生的变形在下一个工序中被切除。加工结束后，工件大部分变形已经通过粗加工迭代消除，从而减小了工件加工变形，提高了零件的合格率。与此同时，有效提升装夹效率，提高定位精度，解决未来批生产阶段产能不足问题。另外，装夹压紧点一般为平面，其施力矢量方向垂直于压紧面，而零件形变存在扭曲、翘曲多种元素，形变方向与施力方向不重合，压紧后仍然存在应力。采用浮动支撑面，压紧面可顺应零件形变方向改变，可较少装夹带来的零件变形。
参考文献
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[2] 何宁，杨吟飞，李亮， 赵威 航空结构件变形及其控制. 航空制造技术.2009