飛機(jī)零件加工變形的控制

飛機(jī)零件加工變形的控制

航空航天工業(yè)的數(shù)字設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的快速發(fā)展增加了現(xiàn)代飛機(jī)的性能要求，飛機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。為了滿足一般框架、梁、壁板等零件的需要，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始廣泛使用。部件的大型化和結(jié)構(gòu)的整體化趨勢(shì)越來越明顯。由鋁合金材料主導(dǎo)的大型總結(jié)構(gòu)在航空航天和其他行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。由于這類零件具有輕量化、薄壁化和整體化的特點(diǎn),采用數(shù)控加工方法已成為當(dāng)前飛機(jī)產(chǎn)品中整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)件最主要的加工手段,是現(xiàn)代武器裝備研制和生產(chǎn)中最主要的工藝方法。為了控制飛機(jī)重量,飛機(jī)零件的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是進(jìn)行了薄壁化設(shè)計(jì),但在零件的加工過程中,由于薄壁零件加工剛性差,切削過程中受到切削力、切削熱的作用容易產(chǎn)生變形。同時(shí)由于零件內(nèi)的殘余應(yīng)力對(duì)零件結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性都有很大的影響,導(dǎo)致零件在加工過程中和結(jié)束后變形較大。所以,航空整體壁板在制造技術(shù)中所面對(duì)的最突出問題之一就是加工變形。航空整體構(gòu)件變形機(jī)理分析飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形產(chǎn)生的原因很多,與毛坯材料、零件結(jié)構(gòu)形狀、工藝方法、加工設(shè)備(圖1)和操作者經(jīng)驗(yàn)等均有關(guān)。引起整體結(jié)構(gòu)件加工變形的主要因素有以下幾個(gè)方面:(1)零件的材料特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。航空結(jié)構(gòu)件的材料一般為高強(qiáng)度鋁合金,其彈性模量為70GPa左右,約為鋼的1/3。由于彈性模量較小,屈強(qiáng)比大,在切削過程中極易產(chǎn)生回彈,特別是大型薄壁零件。另外,航空整體結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜,幾何結(jié)構(gòu)不對(duì)稱,薄壁部位多,自身剛度低,也是產(chǎn)生較大變形的內(nèi)在因素。(2)加工過程中毛坯殘余應(yīng)力的釋放與重新分布。航空整體結(jié)構(gòu)件(圖2)通常采用高強(qiáng)度鋁合金厚板直接銑削加工而成。為獲得理想的機(jī)械性能,鋁合金預(yù)拉伸板必須經(jīng)過軋制、固溶、拉伸、時(shí)效等一系列工藝流程,在這些過程中因存在不均勻的溫度場(chǎng)和不均勻的彈塑性變形,板內(nèi)產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。在加工過程中,隨著材料的不斷去除,板內(nèi)殘余應(yīng)力發(fā)生釋放與重新分布,原來的應(yīng)力自平衡狀態(tài)遭到破壞,零件只有通過變形才能達(dá)到新的平衡狀態(tài)。毛坯殘余應(yīng)力的釋放和重新分布是引起零件加工變形的重要原因。(3)切削過程中刀具與零件的熱藕合作用。刀具對(duì)零件的作用主要表現(xiàn)在切削力、切削熱和加工表層留下的切削殘余應(yīng)力。一方面零件與刀具的接觸部分發(fā)生彈塑性變形,材料纖維層不斷被切斷;另一方面零件壁厚較薄,加工中產(chǎn)生回彈、讓刀現(xiàn)象,加工精度不易保證。另外,被切削材料在刀具的作用下,產(chǎn)生大量切削熱,造成零件各部位的溫度不均,使其發(fā)生熱變形(圖3)。(4)零件的裝夾。在裝夾力的作用下和裝夾方式的不合理使零件內(nèi)部形成裝夾應(yīng)力而發(fā)生零件變形,對(duì)于剛性較差的薄壁結(jié)構(gòu)件,裝夾引起的加工變形不容忽視。機(jī)械殘余應(yīng)力消除工藝原材料制造中的殘余應(yīng)力有兩種抑制方法,一是抑制淬火過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生;二是用工藝方法消除或降低已產(chǎn)生的淬火殘余應(yīng)力。但采用優(yōu)化淬火工藝參數(shù)來降低殘余應(yīng)力并不徹底。因此,本文在消除航空鋁合金淬火殘余應(yīng)力工藝上投入了大量研究工作,主要有:(1)機(jī)械拉伸法。它是將鋁合金板淬火后在一定的時(shí)間內(nèi)沿軋制方向進(jìn)行拉伸,使拉伸應(yīng)力與板內(nèi)殘余應(yīng)力相疊加后產(chǎn)生一定量的塑性變形,然后再進(jìn)行時(shí)效,使殘余應(yīng)力得以緩和與釋放。機(jī)械拉伸法可消除90%以上的淬火殘余應(yīng)力。(2)模冷壓法。它是在特制的精整模具中,通過嚴(yán)格控制的限量冷整形來消除復(fù)雜形狀鋁合金模鍛件的殘余應(yīng)力。(3)深冷處理法。它將固溶處理后的鋁板或毛坯侵入液氮中深冷,待內(nèi)外溫度均勻后又迅速地用熱蒸汽噴射,通過急冷與熱時(shí)效法是目前還在廣泛采用的傳統(tǒng)機(jī)械加工時(shí)效方法,通過將金屬結(jié)構(gòu)件加熱到一定溫度,保溫后控制降溫,達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的,可以保證加工精度和防止裂紋產(chǎn)生。(2)自然時(shí)效法。自然時(shí)效法是將零件長(zhǎng)時(shí)間放置在自然環(huán)境,利用環(huán)境溫度的季節(jié)性變化和時(shí)間效應(yīng)使殘余應(yīng)力釋放,由于周期太長(zhǎng)和占地面積大,僅適應(yīng)長(zhǎng)期單一品種的批量生產(chǎn),效果不理想。(3)振動(dòng)時(shí)效法。急熱產(chǎn)生方向相反的熱應(yīng)力來抵消原來的固溶處理時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。深冷處理法可降低20%~84%的殘余應(yīng)力。(4)振動(dòng)消除法。它是用一個(gè)或多個(gè)強(qiáng)力激振器,使工件產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)狀態(tài),從而產(chǎn)生如同機(jī)械加載時(shí)的彈性變形,使零件內(nèi)部某些部位的殘余應(yīng)力與振動(dòng)載荷疊加后超過材料的屈服極限而引起局部塑性變形,導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的降低和重新分布。當(dāng)鋁合金在淬火后的不穩(wěn)定狀態(tài)(0~2h)進(jìn)行振動(dòng),殘余應(yīng)力可降低50%~70%,若在淬火后360h進(jìn)行振動(dòng)消除,殘余應(yīng)力只能消除10%~20%。在機(jī)械加工殘余應(yīng)力的消除工藝上采用的時(shí)效方法包括(表1):(1)熱時(shí)效法。振動(dòng)時(shí)效法是一種可完全取代熱時(shí)效和自然時(shí)效的工藝,其通過振動(dòng)消除殘余應(yīng)力,可達(dá)到熱時(shí)效工藝的同樣效果,并在許多性能指標(biāo)上超過熱時(shí)效。振動(dòng)時(shí)效對(duì)降低或均化金屬結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力,提高抗動(dòng)載變形能力,穩(wěn)定尺寸精度有非常好的效果。但振動(dòng)時(shí)效也有一些局限性,對(duì)于箱、板形零件,時(shí)效噪聲較大;不適宜于高壓容器、大尺寸的薄板焊件、彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力為主的零件、剛性過大件,以及冷拉、冷拔、冷軋鋼。航空鋁合金整體壁板加工變形控制隨著航空零件設(shè)計(jì)向整體化、復(fù)雜化方向發(fā)展,航空鋁合金整體壁板加工變形是加工中最難確定的因素,加工變形控制成為困擾大型鋁合金整體壁板加工的主要難題之一。1開槽方案設(shè)計(jì)(1)有限元模型建立。以開槽法內(nèi)應(yīng)力釋放為研究對(duì)象,應(yīng)用有限元分析方法,建立整體壁板開槽法殘余應(yīng)力釋放的力學(xué)模型,選用尺寸為11000mm×600mm×85mm的零件毛坯開展分析,單元?jiǎng)澐诸愋筒捎?節(jié)點(diǎn)六面體單元,為了控制單元數(shù)量,多劃分成細(xì)長(zhǎng)的長(zhǎng)方體形狀。有限元模型沿板厚度方向等分成10層,每層4.25mm,共有5000多個(gè)單元。(2)有限元仿真的開槽方案設(shè)計(jì)。開槽法常用來釋放內(nèi)應(yīng)力,減小航空整體結(jié)構(gòu)件的加工變形。根據(jù)零件具體結(jié)構(gòu)形式,對(duì)開槽方法進(jìn)行了建模、分析和比較,在不增加其他工序,不降低加工效率,簡(jiǎn)單易行,可操作性強(qiáng)的原則下找出影響開槽效果的要素和較佳的開槽方法。所設(shè)定的開槽方案如下:·開槽深度分析;·中間不同開槽數(shù)量方案對(duì)比;·邊上橫向與縱向開槽方案對(duì)比;·中間縱向和橫向開槽方案對(duì)比;·邊上不同開槽數(shù)量方案對(duì)比;·邊上與中間縱向開槽方案對(duì)比;·組合開槽:邊上縱向槽+中間縱向槽。(3)開槽后毛坯殘余應(yīng)力分析結(jié)論?！ら_槽深度的影響為開槽深度增加,毛坯件的變形先是迅速增加,繼而緩慢減少,以沿厚度方向開通為佳。·邊槽與中間槽比較中邊槽效果好。同時(shí)開中間槽和邊槽,變形上沒有明顯變化,但是應(yīng)力釋放范圍有所改善?！M向與縱向槽比較中縱向槽的變形小于橫向開槽的變形?！ら_槽數(shù)量的影響中開槽過多則變形更大,從數(shù)值模擬結(jié)果看,中間縱向開四個(gè)槽結(jié)構(gòu)的變形最小,邊沿開4個(gè)通槽的變形最有利。綜上所述,切削加工中超前釋放槽的數(shù)量和位置是控制毛坯變形和殘余應(yīng)力釋放的關(guān)鍵因素?；诜治鼋Y(jié)果,邊沿開4個(gè)縱向的釋放槽與中間開設(shè)四個(gè)縱向的超前釋放槽的組合方案最佳(見圖4和5)。2殘余應(yīng)力的消除,使土地應(yīng)力分布均勻振動(dòng)時(shí)效是以共振的形式給零件施加附加動(dòng)應(yīng)力,當(dāng)附加動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后,達(dá)到或超過材料的屈服極限時(shí),零件發(fā)生微觀或宏觀塑性變形,從而降低和均化零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力,并使其尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定。由于整體結(jié)構(gòu)件幾何形狀變化多,使應(yīng)力集中點(diǎn)很多。因此,為了有效降低殘余應(yīng)力的影響,可采用以下措施:(1)根據(jù)需要對(duì)毛坯件采用振動(dòng)時(shí)效技術(shù),振動(dòng)消除應(yīng)力30~50min,以期消除20%以上的殘余應(yīng)力。(2)在加工中采用分步加工,每步作振動(dòng)時(shí)效處理,降低殘余應(yīng)力集中,使應(yīng)力分布均勻。建議沿厚度方向分步去除材料后,增加振動(dòng)時(shí)效處理,以保證尺寸的穩(wěn)定。振動(dòng)時(shí)效對(duì)于企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率具有良好的前景。3壁板整體加工工藝設(shè)計(jì)(1)加工變形控制工藝流程。大型整體壁板類零件其毛坯采用預(yù)拉伸鋁合金厚板,整體壁板結(jié)構(gòu)上為一面理論外形面、一面帶工字形長(zhǎng)桁和對(duì)接凸緣的非對(duì)稱類零件,材料去除率高達(dá)92%以上。在加工過程中由于受殘余應(yīng)力的影響極易產(chǎn)生加工變形,如果不能很好地處理殘余應(yīng)力問題,零件在加工過程中及加工后容易發(fā)生變形,從而導(dǎo)致零件尺寸超差或者無(wú)法滿足裝配要求而報(bào)廢。為了有效控制大型整體壁板零件的加工變形,特制定了以下工藝流程:銑出應(yīng)力釋放槽、加工定位基準(zhǔn)、粗加工、自然時(shí)效、半精加工和精加工等。(2)層優(yōu)先加工。粗加工采用層優(yōu)先的加工策略編程方式,使零件沿Z向均勻去除材料,避免因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的變形。(3)精加工過程非常重要。由于壁板類零件長(zhǎng)徑比很大,加工過程中容易造成零件側(cè)彎,而精加工將形成零件的最終尺寸,因此在精加工過程中要進(jìn)行科學(xué)的工藝設(shè)置,對(duì)加工的順序要進(jìn)行合理調(diào)整安排,采用局部往復(fù)、區(qū)域間對(duì)稱加工的順序方式。另外,采用沿零件長(zhǎng)度方向均勻鉆制工藝孔和多個(gè)插銷定位的方式,用于監(jiān)控和防止零件側(cè)彎。(4)選用大直徑刀具及高速切削。由于粗加工使用大直徑刀具并采用了高速切削加工技術(shù),可以快速將切削熱通過鋁削帶走,最大限度的防止整體壁板切削加工時(shí)的熱變形。故此在高速機(jī)床上目前較為普遍使用的是HSK系列短錐刀柄。該錐柄采用錐面和端面雙重定位,剛性好、精度高。刀柄為中空、短錐體,輕型化(重量減少50%)。這樣提高了定位精度(重復(fù)定位精度也高),消除Z向定位誤差,減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。使之剛性好(良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度)、精度高,可滿足高速高精度加工要求。其原理見圖6。開槽預(yù)釋放變形工藝和振動(dòng)時(shí)效工藝控制羊毛通過