刘国皓 付佐贵
贵州航天乌江机电设备有限责任公司 563003
【摘 要】航空铝合金结构件是民用大型飞机中不可或缺的主要材料,以铝合金材料为主的整体结构件已广泛应用于航空航天领域，必须要保证加工精度。本文先分析了航空铝合金结构件数控加工变形的主要原因，然后，重点探究了具体的控制策略，以供实践参考。
【关键词】结构件；航空铝合金；数控加工；变形控制
航空铝合金具有密度较小、比强度较高、耐蚀性好、造型美观等显著优点，是民用大型飞机中不可或缺的主要材料，在波音777、A340、A380、C919等最先进的飞机上大量使用。但是由于铝合金构件自身刚性差，在数控加工过程中极易出现变形，影响结构件的加工质量。航空铝合金结构件的加工变形问题，涉及力学、材料成形加工、切削加工和机械制造多个学科领域，是当前航空产品加工工艺中亟待研究解决的课题之一。为确保航空铝合金结构件的加工精度和飞机的整体性能，有必要对结构件变形及控制策略进行深入研究。
一、航空铝合金结构件数控加工变形的主要原因
航空铝合金结构件在数控加工中出现变形情况是不可避免的，不过，其变形模式并非是固定的。结构件的变形种类会受到变形时间、尺度等因素的影响。结构件局部变形经常发生在加工和切削过程中，多发生于道具与工件的接触位置，结构件会发生局部弯曲或让刀等，有时也会有局部尺寸、形貌差异，或者在放置较短时间后出现变形。
航空铝合金结构件数控加工变形的原因，可分为内外原因：航空铝合金结构件的弹性模量小、屈强比大，进行切削时，极易产生回弹，尤其是大型薄壁结构件，会有更严重的“让刀”和回弹现象。航空铝合金结构件形状复杂，几何结构不对称，薄壁部位多，使得自身刚度不强，这是产生较大变形的内在因素。外因主要是在材料完成切割后，结构件内部的应力会重新分配，在加工温度的变化影响下，一旦放置在不同的环境中，结构件外形就会出现热胀冷缩而随之发生改变。大型航空整体结构件的精密加工过程中，通常采用试切与经验结合的方式来确定加工工艺，如果加工参数选择不合理，就会导致出现切削颤振，不仅对加工质量产生严重影响，还会降低机床和刀具的寿命。航空铝合金结构件薄壁部位因受到切削力作用以及大悬伸刀具影响，也会发生变形，导致零件加工精度降低。此外，在生产、处理和加工材料的过程中，加工前，工件内部的残应力处于自平衡状态，随着切削加工过程的进行，切削层中的残余应力逐渐释放，原始的自平衡条件被破坏，工件自身的刚度也发生变化。在这种情况下，材料的局部区域产生了不均匀的变形或相变，导致工件内部产生残余应力。在毛坯初始残余应力以及切削加工过程中强热力耦合作用下产生的残余应力作用下，航空铝合金结构件只有通过变形达到新的平衡状态。此外，工件的装夹也会导致航空铝合金结构件产生变形。
在装夹力的作用下，航空铝合金结构件内部形成装夹应力场并产生相应的位移，在进行切削加工中，就会发生“过切”或“欠切”的问题，导致工件表面几何误差变形；刀具的切削分力使零件表面在弹性恢复后产生不平度，造成了加工壁厚误差。
二、航空铝合金结构件数控加工变形控制策略
（一）改善工艺路线，改进装夹系统
在航空铝合金结构件加工中，为了控制数控加工变形，需要最大程度地降低切削力和装夹变形，按照最大的切削用量来确定装夹力，这样才能确保在不同的切削力下实现稳定的数控加工。如果零件精度要求在IT6及以上时，且要求材料切除量较大时，可选择粗加工-精加工的工艺路线。先采用较大的夹紧力和切削用量进行粗加工，以尽快去除材料。完成粗加工，进行精加工之前，材料中会存在残余应力，可采用热处理工序进行消除，以减少变形，提高薄壁件的加工精度。精加工过程中，应选用合理切削参数，将切削力和切削热控制在最低范围内，以提高加工品质。选择对称切除的走刀路径，如果是大切除量的薄壁件，可采取小切深、中进给、分层切削的走刀模式。切入切出时，刀具应以圆弧相切或圆角的过渡形式进行切削，这样可保持切削平稳，防止发生刀具折断或崩刃的情况。科学设计加工顺序，能够有效减少自身刚度和工艺刚度，减小加工变形。结合实际情况改进装夹系统，以侧壁加工为主要特征的航空铝合金结构件加工，可采用分层环切的刀具路径，实际加工中，可根据实际情况选择逆铣方式，防止发生过切的问题。以底面加工为主要特征的航空铝合金结构件加工，可采用中心环切的刀具路径，尽量不选用那些带有圆角的刀具。刀具会影响被切削的材料，使其发生弹性和塑性变形从而消耗功，最终产生大量切削热，发生热变形，可选择真空夹具装夹，以减小加工过程中的底面变形，最终达到提高工件几何精度的目的。
（二）控制加工后的变形，结构件外形轮廓整体变形
航空铝合金结构件在完成数控加工后仍然会发生变形的情况，如果结构件对纤维流向没有特殊要求，可科学应用预拉伸板材进行解决。因为板材通过预拉伸，其内部残余应力就变得比较小，数控加工中的变形程度也小。如果是航空薄壁中的弧形零件，应合理设置结构件刚度，可采取增加横杆支撑的方式防止突发变形。此外，还要提高设计水，有效清理结构件内部的残余应力，例如，在数控加工过程中正常使用设备时，要对需要加工过的结构件适当增加热处理工序，这样可控制数控加工中因内应力引发的变形，促进数控加工精度提升。在控制结构件外形轮廓整体变形方面，可从原材料方面入手，优先应用应力分布较为均匀的原材料。同时，还要进行毛坯内应力的预释放，结合理论和实践经验，提出具有针对性较强的校正方法，都能有效减少数控加工变形。
三、结语
综上所述，航空事业的不断发展对航空铝合金结构件提出了更高的要求，为了提高结构件的精度与数控加工质量，就要加强对航空铝合金结构件数控加工变形的研究，在此基础上，结合实践经验，采取有针对性的变形控制策略，真正实现航空整体结构件的高效精密加工。
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