01前言

高速加工在航空制造業(yè)已經(jīng)普及，切削力和切削熱對加工變形的影響與毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的影響相比可以忽略不計(jì)。零件變形控制的重點(diǎn)逐漸向應(yīng)力分布和材料力學(xué)方向發(fā)展。秦國華等建立了簡支梁零件殘余應(yīng)力引起加工變形的解析模型，通過模型分析快速準(zhǔn)確地確定了簡支梁零件的最低變形位置。梅等用有限元法建立了刀具切削工件的力學(xué)模型，分析了切削力和殘余應(yīng)力對零件加工變形的影響。

簡單結(jié)構(gòu)件的變形控制分析已有很多結(jié)論，但在實(shí)際復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工過程中，將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)件如框架、橫梁、支架等作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，很難通過顯式的數(shù)學(xué)計(jì)算給出單一的變形控制方法。基于材料的內(nèi)應(yīng)力、力平衡和力矩平衡，探索了復(fù)雜整體框架零件加工過程中通用的變形控制加工方法。零件加工方案的設(shè)計(jì)，粗加工毛料形式的優(yōu)化和時(shí)效，使零件充分變形，對修正基準(zhǔn)和先加工易變形零件的方案進(jìn)行闡述和探索，最終得到一體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件變形控制效果較好的加工方案。

02

變形機(jī)制分析

在自然狀態(tài)下，各部分處于平衡狀態(tài)，即∑F=0。此時(shí)，零件可能會變形?！艶的內(nèi)應(yīng)力等于零件變形產(chǎn)生的屈服應(yīng)力F，零件處于平衡狀態(tài)。在數(shù)控加工過程中，金屬材料的質(zhì)量去除嚴(yán)重影響了金屬應(yīng)力場的分布，金屬材料的內(nèi)力平衡和力矩平衡失控。數(shù)控銑削過程中零件的應(yīng)力，其中∑F內(nèi)應(yīng)力是零件中各種應(yīng)力的合力(造成零件變形不可控)；∑F外力合力是加工過程中施加在零件外部的所有力的合力，包括機(jī)床平面對零件的支撐力F、壓板、真空吸附、螺栓等壓制方法對零件施加的夾緊力F、銑刀在銑削過程中產(chǎn)生的切削力F，可以抑制∑F內(nèi)應(yīng)力對材料的影響，使零件在數(shù)控加工過程中不變形，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

零件加工卸載后，去掉∑F的外力，零件整體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生突變。零件在∑F內(nèi)應(yīng)力的作用下發(fā)生不可測的變形，通過變形產(chǎn)生屈服應(yīng)力抗力F和∑F內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)∑F再次等于0時(shí)，材料的變形停止，材料達(dá)到力平衡和力矩平衡的狀態(tài)?！艶內(nèi)應(yīng)力是零件數(shù)控加工過程中不可避免的，它與材料狀態(tài)、加工方案等有關(guān)。只能減少不能消除。

在粗加工過程中，材料去除率高，去除效率快。短時(shí)間內(nèi)可以去除大部分材料，這會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力∑F內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致粗加工后零件產(chǎn)生較大的機(jī)械變形。

從零件結(jié)構(gòu)方面來說，隨著飛機(jī)零件設(shè)計(jì)水平的提高，復(fù)雜的一體化零件在設(shè)計(jì)初期會根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行避免變形的設(shè)計(jì)，比如合理的筋條分布和設(shè)計(jì)連接等。，所以零件本身有一定的抗變形能力。

粗加工后零件內(nèi)應(yīng)力趨于穩(wěn)定，精加工時(shí)材料去除量小。隨著零件內(nèi)外形狀的統(tǒng)一去除，零件內(nèi)應(yīng)力的分布不會受到很大影響，引起的內(nèi)應(yīng)力是合理的，不會超過零件自身結(jié)構(gòu)的屈服極限。因此，由內(nèi)應(yīng)力變化引起的零件變形很小。

03

老化法

時(shí)效工藝安排在粗加工之后，時(shí)效工藝是零件內(nèi)應(yīng)力調(diào)整的過程?？刹捎贸暡ā崽幚砘蛘駝?dòng)方法去除殘余應(yīng)力。這些方法主要是通過消除內(nèi)部殘余應(yīng)力來調(diào)整零件的內(nèi)應(yīng)力，減少內(nèi)應(yīng)力對零件變形的影響，但只能去除部分殘余應(yīng)力。

本文重點(diǎn)介紹通過時(shí)效調(diào)整零件內(nèi)應(yīng)力的方法。粗加工后，零件在∑F內(nèi)應(yīng)力的作用下發(fā)生變形，但∑F內(nèi)應(yīng)力的作用不是瞬時(shí)的，而是隨著材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的不斷釋放而不斷變化。當(dāng)零件內(nèi)部殘余應(yīng)力的釋放趨于穩(wěn)定時(shí)，零件變形產(chǎn)生的屈服應(yīng)力趨于極限，此時(shí)零件將不再變形。即使∑F內(nèi)應(yīng)力長時(shí)間繼續(xù)變化，內(nèi)應(yīng)力引起的變形也很小，基本不正確。

整體變形有影響。老化過程一般需要較長的周期，與材料、零件結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫濕度等因素有關(guān)。常見的老化方法有自然老化、高低溫老化、熱處理老化和振動(dòng)老化，其中自然老化成本最低，最容易操作，但周期較長。其他方法需要額外的設(shè)備和技術(shù)，但可以縮短老化時(shí)間。為了最終控制零件的變形，應(yīng)在粗加工后安排時(shí)效工藝，使零件充分變形。

04

基準(zhǔn)校正

基準(zhǔn)校正是零件變形控制的核心。粗加工和自然時(shí)效后，零件內(nèi)應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，粗加工材料被大量去除，因此產(chǎn)生的應(yīng)力和變形較大，精加工余量相對較小且分布均勻，加工后產(chǎn)生的應(yīng)力和變形較小，基本在設(shè)計(jì)要求的公差范圍內(nèi)。在光整加工過程中，加工參數(shù)、冷卻和夾緊力等因素對零件的變形也有很大的影響。其中，加工參數(shù)和冷卻可以很好地通過工藝控制，但夾緊力是最難控制精加工變形的。本文主要從基準(zhǔn)校正的角度控制光整加工的夾緊應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)無應(yīng)力夾緊?；鶞?zhǔn)校正包括定位平面校正和定位基準(zhǔn)校正。

4.1定位平面校正

定位平面是指零件夾緊過程中起主要支撐作用的平面。由于零件結(jié)構(gòu)不同，定位平面可以是一個(gè)平面，也可以是多個(gè)平面，但異形平面不利于定位平面的校正。因此，自然老化后的第一定位平面應(yīng)盡量設(shè)置為平面結(jié)構(gòu)，避免設(shè)置為曲面或斜面。

在校正定位平面的過程中，應(yīng)盡可能避免夾緊力對零件毛坯的影響。夾緊力只限制零件的自由度，不引起零件變形，即無應(yīng)力夾緊和壓緊。在生產(chǎn)加工過程中，無應(yīng)力夾緊方法如下:

(1)固體填料填充法

用石膏、乳膠等填充材料填充零件的內(nèi)部和外部形狀。材料固化后，進(jìn)行基準(zhǔn)校正和后續(xù)零件修整。這種方法不需要輔助，操作簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但填充物不能重復(fù)使用，復(fù)雜零件數(shù)控加工后很難去除填充物。而且填料容易腐蝕零件內(nèi)表面，造成零件表面質(zhì)量缺陷。

(2)局部鋁箔墊找平法

變形零件與工作支架之間的間隙用0.1mm厚的單片鋁箔層壓板壓平，避免零件因夾緊力產(chǎn)生應(yīng)力變形。該方法成本低，鋁箔可重復(fù)使用，操作簡單。但鋁箔層壓時(shí)，層間有縫隙，穩(wěn)定性差。平面校正過程中零件狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致校正后平面度不佳，影響平面定位效果。

(3)浮動(dòng)支撐壓實(shí)法

3.它是單浮動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)，浮動(dòng)支撐的高度和方向可以根據(jù)羊毛的變形進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后會被壓板壓住。此時(shí)壓板和浮動(dòng)支撐會壓緊零件起到固定作用，夾緊力不會造成零件變形。

浮動(dòng)壓緊法對粗加工后壓工藝耳的加工方案適用性高，可以方便快捷地固定變形的毛，便于后續(xù)的基準(zhǔn)校正。

通過修改定位平面，使零件在夾緊和壓緊過程中不會發(fā)生二次變形，即夾緊后零件的內(nèi)應(yīng)力∑F不會發(fā)生變化，夾緊力只會限制運(yùn)動(dòng)。

4.2定位基準(zhǔn)的修正

定位原點(diǎn)是加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)，零件時(shí)效完成后，坐標(biāo)原點(diǎn)也需要修正。因?yàn)榱慵冃魏蠹庸ぴc(diǎn)可能會發(fā)生偏移，如果不進(jìn)行修正，粗加工余量就會不足，最終無法加工出零件。而且多工位加工部分需要多次校直校直，建立加工坐標(biāo)系。如果點(diǎn)原點(diǎn)不準(zhǔn)確，容易造成較大的重復(fù)定位誤差，影響零件的精度。

(1)直角邊緣校正

當(dāng)零件的加工原點(diǎn)為直角邊時(shí)，校正定位平面后校正直角邊，用于基準(zhǔn)找正的直角邊進(jìn)行數(shù)控銑削。校正直角邊時(shí)，要注意單次校正量不要太大，可以修整一些可用于校直找正的直邊，不需要銑掉所有直邊，避免直邊校正造成內(nèi)部形狀余量分布不均勻。

(2)參考孔的校正

在數(shù)控零件加工過程中，大多數(shù)加工方案都是以基準(zhǔn)孔作為定位和加工原點(diǎn)。參考孔修正，因?yàn)閰⒖伎椎男拚枰コ字車挠嗔?，避免了單一方向修正余量造成的?nèi)部形狀余量分布不均勻。同時(shí)，以修正后的基準(zhǔn)孔作為定位基準(zhǔn)，可以大大提高零件多工位加工的重復(fù)定位精度。

在零件精加工前，通過校正定位平面實(shí)現(xiàn)已加工零件的無應(yīng)力夾緊，避免夾緊力造成零件變形。通過對定位基準(zhǔn)的修正，避免了粗加工變形引起的基準(zhǔn)誤差，提高了多工位加工零件的重復(fù)定位精度。在定位平面和定位基準(zhǔn)雙重修正的基礎(chǔ)上，避免了粗加工變形對成品零件的影響。

05

先加工容易變形的零件。

復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)一般具有高而薄的法蘭結(jié)構(gòu)、懸空開口結(jié)構(gòu)、突出無支撐結(jié)構(gòu)等零件加工困難、易變形的特點(diǎn)。易變形零件是基于零件結(jié)構(gòu)的零件變形控制方案，兼顧宏觀和微觀加工。通過調(diào)整零件局部特征的加工順序，可以實(shí)現(xiàn)零件加工的變形控制。

宏觀變形控制是指根據(jù)零件的整體結(jié)構(gòu)，對容易變形的區(qū)域和特征進(jìn)行分析。例如，對開口結(jié)構(gòu)件進(jìn)行粗加工時(shí)，優(yōu)先加工開口區(qū)域，使其充分變形；先將簡支梁結(jié)構(gòu)件加工成無支撐懸空區(qū)；加工高薄筋邊結(jié)構(gòu)時(shí)，先增加高薄筋底部的加工余量，優(yōu)先加工剛性差的頂部高薄筋邊。通過合理優(yōu)化零件的加工順序，可以避免零件剛度不足導(dǎo)致的加工變形。

微變形控制方案是指在零件精加工過程中，通過調(diào)整內(nèi)部特征的加工順序，盡可能減小∑F內(nèi)應(yīng)力的變化。∑F內(nèi)應(yīng)力變化越小，精加工后零件變形越小。結(jié)合時(shí)效控制，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件的加工變形控制。

06

標(biāo)簽

(1)零件的粗加工過程是零件受力和變形的主要過程。粗加工時(shí)，零件90%以上的加工余量被去除，零件內(nèi)應(yīng)力∑F變化較大。當(dāng)外部夾緊應(yīng)力消除時(shí)，零件變形很大。精加工時(shí)，零件內(nèi)外形狀余量均勻，殘余材料去除量小。精加工后∑F內(nèi)應(yīng)力變化較小，零件結(jié)構(gòu)本身具有一定的屈服抗力。精加工后，∑F內(nèi)應(yīng)力引起的零件變形較小。

(2)時(shí)效過程是粗加工后零件充分變形的必經(jīng)過程，使零件內(nèi)應(yīng)力重新分布，達(dá)到力和力矩的平衡。時(shí)效變形是精加工過程中控制∑F內(nèi)應(yīng)力的必要條件。如果時(shí)效不充分，精加工引起的∑F內(nèi)應(yīng)力變化會很大，粗變形會帶入精加工過程，最終導(dǎo)致零件變形失控。

(3)基準(zhǔn)校正工序是消除夾緊力對零件變形影響的主要工序。通過基準(zhǔn)校正，完成裝夾后零件的內(nèi)應(yīng)力σf等于0，從而實(shí)現(xiàn)了成品零件的無應(yīng)力裝夾。此時(shí)夾緊力只是夾緊零件，不會產(chǎn)生任何會導(dǎo)致零件變形的力。通過基準(zhǔn)校正，消除了粗加工零件變形對零件精加工的影響，提高了多工位精加工零件的重復(fù)定位精度。

(4)先加工可變形零件是整體加工方案對零件變形的控制策略。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，粗加工時(shí)應(yīng)先對可變形的結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行加工，使其充分變形，然后再進(jìn)行精加工。精加工時(shí)，先對結(jié)構(gòu)薄弱、剛性差的區(qū)域進(jìn)行加工，可以減少零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對零件變形的影響。