大型铝合金机翼整体壁板加工变形控制技术分析

大型铝合金机翼整体壁板加工变形控制技术分析

李杰，汪海峰，李财正，邱明

沈阳飞机工业(集团)有限公司,辽宁沈阳，110034

摘要：薄壁板是飞机部件的一大特色，它能有效地减轻飞机的重量，但在加工时，薄壁部件的切削刚度较低，切削力及切割温度会对其产生影响。同时，在加工过程中，残余应力会极大地影响工件的尺寸稳定性，使工件在加工后产生很大的变形。因此，飞机整体式壁板生产工艺面临的一个重要问题是加工变形。

关键词：铝合金机翼；整体壁板；加工变形；控制技术

前言：

机翼的整体壁板是当前军用飞机和民用飞机的主要部件，其中，全壁面板是飞机的核心技术。整体式壁板是由厚蒙皮、长桁架等骨架部件组成的整体，具有较高的强度、较高的质量、较好的整体和局部稳定性，具有较长的疲劳寿命、精密的外观和光滑的外观，是当今战机广泛使用的高效能结构，也是影响到一艘战舰整体性能的关键。壁板是一种薄壁产品，在 CNC加工中，因其强度、刚性等因素，易发生变形，而且由于工件的长度过长，很容易使工件的变形增大。

1大型整体壁板结构的发展及特点

由于焊接工艺的刚度、强度、密封性等方面存在缺陷，因此，用整体式墙板取代组合墙板，也就是墙板的蒙皮、加强凸台、凹槽、筋条等部件之间没有机械连接。大型板型钢板在飞机机翼、机身、地面、油箱等关键部位得到了广泛的应用。其优势在于，可以极大地降低组装工人的数量，使组装过程的时间和工作量降低80%~90%。极大地降低了材料、板材、型材的种类和型材的成型工作。它不仅能改善零件的强度和刚性，而且还能改善零件的装配质量。

民用航空器要想在保证零部件性能达到设计要求的同时，更好地提升其市场竞争能力，降低成本是其主要目的。传统的板坯生产工艺是用厚板机和板条板坯。这种方式的最大缺陷是，材料的使用率和部件的生产成本都很高。由于采用了不同的合金材料，使得整个壁板的结构优化设计有了更大的空间，从而使构件的结构效率得到了进一步的改善。正是因为其具备以上优势，所以被广泛地用于现代化的民用航空。机身下部采用6013、6056铝合金等材料，可大幅度减少零部件的生产成本，提高整机的效率。

整体壁板制造流程：目前，常用的整体式壁板的制造方法是采用三维CAD软件，通过NC数控机床来实现整体壁板的成形。该方法具有的优势：所用的预拉延板材厚度较薄，切削量相对较少，所需的铣削量也较少，所需的铣削加工设备仅需三轴 CNC，喷丸成型后附加的强化技术，可以大大地改善材料的显微组织缺陷和残留的压应力，大大地改善了产品的抗疲劳性能。该工艺在实际应用中得到了广泛的应用，节约了数控机床的资源，降低了生产成本。

2整体壁板板坯加工变形原因

与大尺寸整体板生产有关的应力有：坯料的剩余应力、夹紧应力、夹紧应力等。在数控加工中，由于切削力和切削热量的影响，造成了零件在加工后的应力不均衡。在加工过程中，坯料的初始应力平衡状态会被破坏，而新的应力重新分配会使其发生变形。在切削加工中，由于机械负荷和热压的共同作用，使工件发生形变。此外，还存在着因环境温度的改变而产生的应力等问题[1]。

3大型铝合金整体壁板变形控制技术

由于飞机部件的整体化、复杂化，整体式铝合金壁板的加工变形问题一直是制造过程中最难以解决的问题，而制造过程的变形控制也是制约大型铝合金整体壁板加工的一个重要问题。

3.1有限元模型建立

针对开槽法中的应力消除问题，运用有限元方法，建立了整体板开槽法消除残余应力的数学模型，选取直径1000mmX600mmX85 mm的零件进行分析。根据薄板的厚度，将其分为10个不同的层数，每个层数为4.25毫米。

3.2有限元仿真的开槽方案设计

在飞机总体结构零件加工过程中，通常采用开槽方法来减轻内部应力，减少加工变形。针对零件的特殊构造形式，建立了切缝工艺模型，分析比较了不同工艺条件下的切缝工艺，使切缝工艺简单、操作简单、易于实现。

3.3开槽后毛坯残余应力分析

沟槽深度对毛坯变形的影响主要表现为：沟槽深度增大，毛坯变形先快速增大，然后逐渐减小，以沿厚度方向打通为最佳，中沟槽和中沟槽对比，中沟槽的效果更好。同时进行了中间沟槽、边沟槽的加工，使其变形没有显著的改变，但应力的释放幅度得到了提高。横向和纵向沟槽相比，纵沟处的变形比横向沟槽处的变形要小。沟道数目对变形的影响较大，在数值计算中，纵向四槽结构的变形最少，而四条沟槽的变形最好。总之，在切削过程中，提前排出槽数和位置是影响坯料变形、消除剩余应力的重要因素[2]。

3.4分层优先加工

采用分层优先的方法进行粗加工，使得工件在纵向方向上均匀地进行切削，从而防止了由于应力集中引起的变形。

3.5精加工过程非常重要

由于壁型产品的长宽比较大，在制造时易发生侧弯，而精加工则会影响到产品的最终尺寸，故在精加工时应科学地设定工艺，合理地调整和排列加工次序，采取局部往复、区域对称加工等方法。同时，通过均匀地在工件的纵向上钻孔，并通过多个插头进行定位，实现对工件的侧弯监测和预防。

3.6选用大直径刀具及高速切削

由于采用大直径工具和高速切削工艺，可以迅速地将切削热量从铝片中带走，从而避免在切削过程中发生的热变形。所以 HSK系列短锥刀柄是目前高速机床上比较常用的一种。锥杆具有锥形和端部两种结构，刚性好，精度高。中空的短锥体，体积小（重量降低50%）。这种方法可以提高定位的准确度（也可以高精度地重复定位），避免 Z方向的定位误差，减小惯性。其刚度好（动态刚度好），精度高，能适应高精度的高速切削。

4整体壁板加工变形控制策略

4.1采用应力分割槽及时释放内应力，减小最终变形

在生产中采用适当的工艺来消除内应力是控制变形最有效的手段。该变形控制技术的基本原理是：在加工初始阶段，先破坏工件的抗变形刚度，从而使加载过程中的应力得以充分释放，从而实现对变形的控制。在壁板部件的制造中，采用了应力分割槽，使工件在加工时产生的应力和变形得到缓解，从而方便了板件的装夹和吸收[3]。

4.2数控加工走刀策略对变形的影响

数控加工方法，也就是根据特定的加工特点选择走刀的方法，变形的大小也会受到很大的影响。以粗加工为例，等高线加工方法是一种高效的粗加工方法，它是一种以 Z方向等高、分层递减的方法进行切削的方法。对称切削比传统的连续切削工艺更能降低工件的变形，所以在加工过程中要按对称的方法进行零件的加工。

4.3优化刀具切削参数

减少在加工过程中产生的切削应力，在切削时，由于受力或热的影响，工件表面会发生塑性变形，同时也会引起内应力，造成加工后的变形。加工工艺参数的选取对加工工艺的控制有很大的影响，不合理的加工工艺参数会使切削力增大，使刀具产生较大的磨损，从而使工件表面的残余应力增大，影响工件的变形。高速切削技术是一种有效地降低加工变形的方法。

结束语

针对航空构件在制造过程中产生的残余应力，对大尺寸壁板类零件的加工变形进行了研究。目前，轧件成形过程中的开槽预释放和振动时效技术已被广泛应用，但其参数的选取仍以经验为主，缺乏相应的理论基础，需要对其参数进行进一步的研究与优化。通过积极地进行有限元模拟、变形控制工艺、振动时效工艺等方面的研究，寻找出较为合理的工艺措施，目的在于解决大型航空铝合金整体壁板加工时的变形问题，提高其加工尺寸的可靠性，从而提高产品的品质。

参考文献：

[1]白仲栋, 张贤杰, 乔明杰, et al. 大中型民用飞机机翼整体壁板制造技术最终报告[R]. 2013.

[2]牛艳毅. 大型铝合金机翼整体壁板加工变形控制技术的研究[J]. 通讯世界,2016(1):236-237.

[3]林震宇,刘庆华,黄官平,等. 大型铝合金机翼整体壁板加工变形控制技术[J]. 航空制造技术,2013(1):146-149.