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    航空鋁合金整體結構件數控加工變形控制現狀分析

    2021/4/25 9:39:11 人評論 次瀏覽 分類:技術

    來源:2012 年第 12 期·航空制造技術

    作者:中國商飛上海飛機制造有限公司 張烘州 戎 斌 陳 潔 ;

            上海交通大學機械與動力工程學院 明偉偉

    現代商用客機所用材料主要是鋁合金、合金鋼、鈦合金以及復合材料等。雖然復合材料和鈦合金在飛機機體上的使用比例有逐年增加的趨勢,但是,鋁合金密度較小、比強度較高、耐蝕性好、成形性較好、工藝成熟、使用數據充分、資源豐富、成本低廉,而且近年來性能不斷提高,成本降低,并出現新型鋁合金(鋁鋰合金),因此鋁合金的發展并未像預期的那樣迅速退出飛機結構材料的舞臺,而仍在波音777、A340、A380、C919等最先進的飛機上大量使用??梢?,鋁合金仍然是民用大型飛機中不可或缺的主要材料。

    結構整體化對研發周期、生產效率和制造成本等具有非常重要的影響,可以大幅降低連接裝配工作量,減少零件數量,減重10%~30%,密封性能好,結構整體性好。由于大型航空整體結構件具有材料去除率大,形狀復雜,整體剛性較差的特點,對切削加工提出了更高的要求,如圖1所示。

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    航空結構件整體化是新一代大型客機的發展趨勢,已經成為現代飛機設計制造領域的一個重要標志。整體結構件的加工變形問題,涉及力學、材料成形加工、切削加工和機械制造多個學科領域,是航空產品加工工藝中的瓶頸之一。本文針對航空鋁合金,對整體結構件加工變形理論和方法進行了深入的分析和研究,并提出了航空整體結構件加工變形控制的策略。


    鋁合金整體結構加工變形現狀

    隨著現代大型商用客機性能要求的不斷提高,許多骨架零件尤其是主承力結構件,如飛機的整體框、整體梁、整體腹板、長緣條等普遍采用由大型整塊毛坯直接“掏空”而加工成復雜槽腔、筋條、凸臺和減輕孔等整體結構件。整體結構件體積大、壁薄、剛度差、易變形、切削加工余量大,加工周期長,加工質量和精度很難控制,對此類航空整體結構件實現高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造業面臨的一個重要課題。

    航空用鋁合金雖然具有良好的可切削性,但是航空制造業對零件精度、質量加工效率的高要求,航空件的加工精度及形位誤差的要求遠高于汽車等制造業。因此對航空鋁合金的高效切削加工研究,尤其是高效銑削加工一直受到廣泛的關注。高效加工是高速加工技術和切削工藝優化相結合的新工藝,是解決大型航空整體結構件的關鍵技術。高效加工技術的特征是加工過程中的高材料去除率和短的單件加工時間,并通過切削參數優化保證加工精度和表面質量。

    大型航空整體結構件剛性差,切削力、切削熱及切削振動等均容易導致零件變形,降低加工精度和加工表面質量。大型客機的帶筋整體壁板、整體框、整體肋和梁緣條等均為復雜形狀整體結構件,對高效加工系統提出了更高的要求,如圖2所示。

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    高速切削是高效加工工藝實現的關鍵技術。國外的高速切削研究一直得到政府有關部門尤其是國防部門和企業的大力支持,例如美國空軍在1979年就耗巨資委托GE公司和洛克希德等公司開展先進加工研究計劃,研究鎳基合金、鈦合金和黑色金屬的高速切削問題;法國達索公司和波音公司等相繼引進了高速銑削機床。

    波音公司每年切削加工所產生的鋁合金切屑的重量就高達1.5萬t,其飛機整體框架、大梁、緣條以及壁板(鈦合金、鋁合金)現均采用高速銑削加工技術,使生產效率和產品質量都大大提高。波音公司加工C-17的鋁合金整體機翼框是目前最大的整體結構件之一,從4t重的毛坯到147kg的最終零件,僅耗時100h。目前鋁合金的高速切削加工已經達到:主軸轉速10000~35000r/min,進給速度10~20m/min,切削速度1500~6000m/min,材料切除率6000~8000cm3/min,刀具壽命60~90min。

    我國的航空工業制造技術水平從總體上起步較晚,仍以傳統的制造工業為主,水平不高。在飛機整體薄壁結構件的制造方面,對工藝技術的改進不多,沿用傳統的鋁合金零件加工編程方法,部分加工的技術人員習慣采用原有的切削工藝與主軸轉速進行加工。按照我國傳統的對鋁合金零件的典型采用主軸轉速1500~1800r/min,進給速度350~500mm/min;對細長薄壁結構件加工時,則采用更低的主軸轉速600~800r/min和進給速度100~200mm/min。

    近幾年我國航空飛機制造業發展較快,幾大飛機制造企業花費巨資引進了先進大型高速加工中心,設備的先進性與自動化水平己經與發達國家基本相當。目前國內的高速切削的應用水平己達到:主軸轉速8000~24000r/min,切削速度1000~1500m/min,進給速度1~5m/min,個別達10m/min,材料切削切除率40~90cm3/min。但是,在很多情況下,由于缺乏高速加工技術的支撐,部分高速數控機床仍按普通機床一樣使用,沒有發揮出潛在高速、高效、高精度的生產能力,部分數控機床的轉速和進給速度僅被利用20%~30%。很顯然與發達國家應用情況相比還有一定的差距。

    歐美等發達國家對航空整體結構件的加工變形問題非常重視,美國的第三波公司依托密西根大學等若干世界著名大學,在政府和軍工企業集團的支持下,共同研究和開發能夠有效抑制整體結構零件數控加工變形的工藝參數優化理論和有限元模擬軟件。

    巴黎航空工業學院與法國國家宇航局針對航天飛行器整體結構件設計與制造問題,聯合建立了專門的強度實驗室,深入研究加工變形的工藝控制和安全校正等問題。由于涉及保密問題,可查閱的關于整體結構件加工變形方面的文獻資料較少。J.Tlusty等針對薄壁件的變形問題提出有效利用零件的未加工部分作為支撐,從而充分利用零件整體剛性的刀具路徑優化方案;日本的巖部洋育等針對切削力引起的薄壁零件的“讓刀”變形,提出平行雙主軸加工方案;Haruki等提出將低熔點的合金澆注入薄壁結構型腔,從而大大提高工件的剛度,有效抑制加工變形;Ratchev等建立了切削弱剛度零件時的切削力模型,并針對切削力、切削熱引起的變形提出了誤差補償方案;Nervisebastian建立了毛坯初始殘余應力引起加工變形的數學預測模型,指出零件的最終變形情況與毛坯初始應力的分布狀態,零件在毛坯中的位置和形狀密切相關;KeithA.Young采用數值模擬與化學銑削相結合的方法研究了銑削加工引入的殘余應力對加工變形的影響,指出加工引入的殘余應力與變形與切削刀具的刀尖圓弧半徑和切削刃鈍圓半徑密切相關,同時指出,航空整體結構件的壁厚很多在2mm以內,此時銑削加工引入的殘余應力對工件加工變形的影響是不可忽視的。


    鋁合金整體結構件加工變形影響因素

    在大型航空整體結構件的精密加工過程中,由于缺乏系統的切削加工變形機理分析以及控制加工變形理論的研究,目前主要采用試切與經驗結合的方式來確定加工工藝,加工參數不合理,參數選取較保守,未能充分發揮高速加工中心的性能,造成加工表面質量惡化,加工效率低。在加工過程中存在的突出問題主要表現在以下方面。

    • (1) 加工參數選擇不合理而引起的切削顫振,嚴重影響加工質量,降低機床和刀具的壽命。

    • (2) 整體結構件局部弱剛性薄壁部位在切削力作用下發生變形以及大懸伸刀具在切削力作用下發生變形,導致零件加工精度喪失。

    • (3) 毛坯初始殘余應力以及切削加工過程中強熱力耦合作用下產生的殘余應力,在重新分布后造成整體結構件整體變形。

    在加工變形嚴重影響航空整體結構件的加工精度和生產效率的情況下,深入研究大型整體結構件精確加工工藝策略及安全校形技術,尋求和探索加工變形的規律和機理,建立預測和控制加工變形的模型,將為優化加工工藝提供理論依據,實現航空整體結構件的高效精密加工。

    航空整體結構件的加工變形產生的原因很多,與毛坯的材料、工件的幾何形狀及剛度,以及加工工藝方法和加工設備等均有關系,如圖3所示。

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    經研究分析,引起整體結構件加工變形的主要因素有以下方面。

    (1)工件的材料力學特性與結構特點。

    航空鋁合金的彈性模量約為70~73MPa,約為鋼的1/3。由于其彈性模量小、屈強比大,在切削過程中極易產生回彈,特別是大型薄壁結構件,“讓刀”和回彈現象更為嚴重;另外,航空整體結構件形狀復雜,幾何結構不對稱,薄壁部位多,自身剛度差等,也是產生較大變形的內在因素。

    (2)加工過程中毛坯初始殘余應力的釋放與重分布。

    航空整體結構件通常采用高強度變形鋁合金厚板直接銑削加工而成。為獲得理想的機械性能,鋁合金預拉伸板必須經過軋制、固溶、拉伸、時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和不均勻的彈塑性變形,板內產生了殘余應力。在加工過程中,隨著材料的不斷去除,板內殘余應力發生釋放與重分布,原來的應力自平衡狀態遭到破壞,工件只有通過變形才能達到新的平衡狀態。己有研究表明:毛坯初始殘余應力的釋放和重分布是引起航空整體結構件加工變形的重要原因之一。

    (3)切削過程中刀具與工件間的熱-力耦合作用。

    刀具對工件的作用主要表現在切削力、切削熱和加工表層留下的切削殘余應力。在切削力的作用下,一方面工件與刀具的接觸部分發生彈塑性變形,材料不斷被刀具切除;另一方面工件產生回彈效應,發生“讓刀”現象,特別是對于薄壁部分,“讓刀”對加工精度的影響不容忽視。

    另外,被切削的材料在刀具的作用下,發生彈性和塑性變形而消耗功,切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦也要消耗功,導致產生大量切削熱,造成工件各部位的溫度不均,使其發生熱變形。切削加工鋁合金在工件表層留下的殘余應力層的深度一般在0.1mm以內,當工件厚度較大時,其剛性也大,切削加工產生的殘余應力幾乎不會使其變形,然而對于航空整體件來說,其壁厚多在2mm以內,此時殘余應力對變形的影響不可忽略。

    (4)工件的裝夾。

    在裝夾力的作用下工件發生變形,在內部形成裝夾應力場并產生相應的位移。當刀具進行切削加工時,會出現“過切”或“欠切”現象,從而造成工件表面幾何誤差變形,對于剛性較差的薄壁結構件,裝夾是引起加工變形的一個重要因素。


    鋁合金整體結構件加工變形策略分析

    在大型整體結構件的加工過程中,通過優化加工工藝和改進裝夾系統對加工變形進行主動控制是最有效的策略。一般的策略主要有:

    (1)優化刀具路徑,利用未加工工件材料的剛性避免加工變形過大;

    加工過程中,在主要變形方向,選擇切削力較小的加工路徑和加工參數;

    (2)選擇合理的刀具幾何參數。在實際的零件加工過程中,主要是根據零件自身的結構特征進行加工工藝和裝夾系統的優化。因此對于不同的加工特征,優化策略基本可以分為兩類。

    • 加工特征為側壁加工

    在加工特征為側壁加工中,徑向切削力對加工變形影響最大,刀具和工件的徑向剛度對加工變形影響大,其主要控制策略有:

    A、采用分層環切的刀具路徑,可以使加工過程中,零件局部保持高剛度。

    B、合理選用加工方式。根據加工情況不同,采用逆銑方式可以避免讓刀造成的加工誤差;采用順銑方式可以避免由于刀具和工件相互靠近造成的過切。當然,同時需要綜合考慮加工方式對加工表面質量和刀具壽命的影響。

    C、合理選擇刀具參數。刀具圓角對切削力的分配具有重要的影響,在側壁加工過程中,選用帶有一定圓角的刀具,可以使加工過程中的徑向力向軸向力轉換,如圖4所示。

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    • 加工特征為底面加工

    在加工特征為底面加工的零件中,主要控制策略有:

    A、采用中心環切的刀具路徑,可以使加工過程中,零件局部保持高剛度。

    B、合理選擇刀具參數。盡量選用不帶有圓角的刀具,可以使加工過程中的軸向力較小。

    C、合理選擇夾具。選用真空夾具裝夾,可以減小加工過程中的底面變形。而對于大型的薄壁件加工,如飛機蒙皮的銑削加工,則常采用組合式柔性多點支撐裝置進行裝夾。

    通過以上策略,可以在一定程度上減小大型整體結構件的加工變形。要實現大型整體結構件的變形預測和控制,必須充分分析切削加工過程及加工系統。采用有限元方法可以把加工過程、零件變形、裝夾系統綜合起來,預測大型整體結構件的加工變形,并對加工系統進行優化。


    結束語

    如何實現航空整體結構件高效精密加工,解決航空整體結構件加工變形的問題已經成為航空制造領域核心關鍵技術。而采用高速切削加工技術,選擇合理的刀具參數,優化工藝參數和走刀路徑,對零件進行合理的裝夾等都將是變形控制最有效的策略。

    然而國外的技術封鎖使得先進切削工藝難以引進,因而高速切削工藝技術的缺失造成我國多數高檔數控加工中心未能充分發揮作用。因此各航空制造企業應大力開展自主創新研究,通過產學研相結合,借助高?;蜓芯吭核谘芯織l件、技術和人才方面的優勢,在引進國外先進高端數控加工設備的基礎上進行消化吸收,結合企業自身的條件進行再創新,獲得具有自主知識產權的高速切削工藝技術,才能真正實現航空整體結構件的高效精密加工。

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