大型铝合金机翼整体壁板加工变形控制技术
铝合金薄壁件加工变形控制工艺方法研究
铝合金薄壁件加工变形控制工艺方法研究发布时间：2021-12-29T01:21:12.823Z 来源：《中国科技人才》2021年第22期作者：刘世超[导读] 本文探讨铝合金薄壁件在铣削加工过程中产生加工变形的原因，并提出相应的解决办法来控制变形，为技术人员提供一些参考。
中航西安飞机工业集团股份有限公司制造工程部西安 710089[摘要] 随着现代航空制造工业的迅速发展，铝合金薄壁件在航空飞机上的使用日趋广泛，但铝合金薄壁件在加工时极易因为受到的切削力、热、夹紧力等因素的影响而产生变形，变形的影响因素是复杂的，这在机械加工行业是一个比较棘手的问题，因此减小薄壁件的加工变形一直是国内外学者研究的热点。
本文探讨铝合金薄壁件在铣削加工过程中产生加工变形的原因，并提出相应的解决办法来控制变形，为技术人员提供一些参考。
[关键词] 薄壁件残余应力工艺参数装夹方式变形控制1 薄壁件加工产生变形的原因分析航空铝合金薄壁件的加工变形问题，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，是航空产品加工工艺中的瓶颈之一。
航空薄壁件的加工变形产生的原因很多，与毛坯的材料、零件的几何形状及刚度、以及加工工艺方法和加工设备等均有关系。
经研究分析，引起薄壁件加工变形的主要因素有以下几个方面：零件材料力学特性与结构特点的影响:航空铝合金的弹性模量约为 70 一 73MPa，约为钢的 1/3 左右。
由于其弹性模量小，屈强比大，在切削过程中极易产生回弹，特别是大型薄壁结构件，“让刀”和回弹现象更为严重；另外，航空薄壁件的结构也非常复杂，通常几何结构不对称，薄壁部位多，自身刚度差等，也是产生较大变形的内在因素。
切削过程中刀具与零件间力-热耦合作用的影响:零件加工过程中材料的去除过程伴随着切削力、热的产生；一方面零件与刀具的接触部分发生弹塑性变形，材料不断被刀具切除；另一方面工件产生回弹效应，发生“让刀”现象，特别是对于薄壁部分，“让刀”对加工精度的影响不容忽视。
航空铝合金加工时的变形控制
航空铝合金加工时的变形控制作者：陈守伟来源：《中国新技术新产品》2012年第17期摘要：随着目前飞机制造业的大力发展，对于航空铝合金的加工工艺要求也越来越高，而航空铝合金在加工时的变形问题也成为了航空制造加工过程中出现的重要问题之一。
为了解决这一问题，我国从国外引入了先进的高速切削设备，并开始自主研究高速切削加工技术。
根据大量地研究表明，选择合理的加工参数、控制切削中的残余应力和对加工零件恰当使用可以大大地提高航空铝合金高速切削的质量。
关键词：航空铝合金加工技术；高速切削；控制中图分类号：TU512.4 文1 目前对航空铝合金加工技术的需求铝合金整体构件都具有其壁薄、体积大、刚度差和易变性的特点，这就导致了其在加工时加工周期长、切削加工余量大和加工精度难控制的缺点。
而目前大型商用客机由于性能要求的提高，对于飞机的整体腹板、整体梁和长缘条等部分的制造加工要求也越来越高。
这就要求拥有更细致和更可靠的控制铝合金加工变形技术。
1.1 航空铝合金的加工要求航空铝合金较之其他金属，具备很好的可切削性。
但是航空铝合金在加工过程中的要求却远远高于汽车等其他制造业。
这些要求主要反映在航空制造加工业对质量加工效率、零件精度和航空构件加工的形位误差控制上。
这些都导致了高效的铣削加工一直备受关注。
1.2 大型航空铝合金整体结构的缺陷利用大型航空铝合金制造的航空整体结构一般包括客机的整体框、整体壁板、梁缘条和整体肋等。
这些构件在制造加工中往往会出现刚性差的特性，加上切削振动、切削力和切削热的作用则会容易导致零件变形。
这样一来，整体结构的加工精度和加工表面的质量均会降低。
1.3 高速切削技术高速切削技术是一种金属加工领域的新工艺，它将切削工艺和高速加工技术进行了良好的结合，在目前航空整体结构件的加工上得到了广泛的应用。
目前国外的高速切削技术已经得到了国防部、政府和有关企业的支持。
波音公司在加工目前最大的航空整体构件之一的C-17铝合金机翼框架时候就使用了高速切割技术，仅仅耗时100h，4吨重的毛培切削完成。
超大型壁板类零件加工变形控制技术
超大型壁板类零件是大飞机研制中采用的重要结构之一，多用于大飞机的机翼或地板等。
超大型壁板由于尺寸巨大，加工去除率很高，对加工过程中的变形进行控制是非常重要的。
本文结合实际，提出了一种整体控制超大型壁板类零件加工变形的工艺方法，对于提高大型壁板类零件的加工质量和效率具有非常重要的意义。
国产大飞机是我国航空工业现在和未来重要的发展方向之一，大飞机的研制需要相关高、精、尖技术的支撑。
超大型壁板类零件是指在大飞机中普遍采用的尺寸超大（长度方向达到20m）的整体壁板零件，这种零件具有尺寸大、结构复杂、精度要求高的特点，成为大飞机结构件制造的难点之一。
超大型壁板类零件一般具有异型孔、加强筋条等整体结构，由于尺寸精度要求较高，大多采用数控加工的手段完成制造。
我国国产大飞机研制中采用了超大型壁板类零件的结构，其精度要求如下：腹板和筋条厚度公差为±0.15mm，筋条高度公差为±0.2mm，壁板外表面贴平台，翘曲不大于5mm，不允许有鼓动。
对于超大型整体结构件的加工而言，要满足以上精度要求，必须要有科学合理的加工变形控制技术，以满足加工的要求。
本文对超大型壁板类零件加工变形控制技术进行研究，采用了整体变形控制工艺，并在实际加工中验证了这种整体变形控制工艺，能够很好地控制超大型壁板类零件的变形，总体加工精度达到了0.2mm，取得了很好的效果，具有重要的工程推广应用价值。
整体加工变形控制工艺方法1 整体加工变形控制流程对超大型壁板类零件的整体工艺进行分析，其毛坯采用全尺寸的大型预拉伸铝合金板材，最终形成“一面光面、一面结构”的非对称整体壁板类零件，一般情况下，材料去除率达到95%左右。
预拉伸铝合金板材在加工过程中形成的加工变形主要是由于残余应力释放造成的，特别是尺寸超大型的结构件，在大去除率的加工过程中，如果不能很好地处理残余应力释放的问题，容易造成零件加工过程中及加工后的大变形，从而导致尺寸超差或者产品不满足要求而报废。
航空整体结构件加工变形控制与校正关键技术分析
航空整体结构件加工变形控制与校正关键技术分析【摘要】本文主要探讨航空整体结构件加工变形控制与校正的关键技术。
在介绍了研究背景、研究意义和研究目的。
在分析了加工过程中的变形原因，探讨了变形控制技术和校正方法，同时关注了技术中存在的挑战和发展趋势。
结论部分总结了问题并展望未来的研究方向。
航空整体结构件加工变形控制与校正是一个重要的研究领域，对于提高航空器件加工质量和精度具有重要意义。
本文从理论和实践的角度探讨了该领域的关键技术问题，为进一步研究和应用提供了参考。
随着航空工业的不断发展，相信这一研究领域也会迎来更多的机遇和挑战。
【关键词】航空整体结构件、加工变形控制、校正关键技术、引导背景、研究意义、研究目的、变形原因分析、控制技术、校正方法、关键技术挑战、技术发展趋势、问题总结、未来展望、研究展望.1. 引言1.1 研究背景航空整体结构件加工变形控制与校正是航空制造领域中一个重要且具有挑战性的问题。
随着航空工业的发展，航空整体结构件的制造要求越来越高，对加工精度、稳定性和质量控制提出了更高的要求。
在加工过程中，由于材料性能、加工工艺、工件结构等多种因素的影响，往往会导致结构件产生形状和尺寸的变形，进而影响到产品的装配和使用性能。
研究背景中有关变形控制与校正的关键技术分析，能帮助我们更好地理解变形的机理及其影响因素，为解决航空结构件加工中的变形问题提供有效的技术支持和指导。
通过深入分析加工过程中可能存在的变形原因，探讨现有的变形控制技术和校正方法的优缺点，以及面临的关键技术挑战和发展趋势，将有助于指导相关研究与实践，推动航空整体结构件加工技术的持续发展与进步。
1.2 研究意义航空整体结构件加工变形控制与校正是航空制造领域中一个至关重要的技术问题。
在飞机设计与制造过程中，结构件的几何尺寸和形状精度直接影响着飞机的性能和安全。
对于航空整体结构件加工变形控制与校正的研究具有重要的意义。
航空整体结构件的加工变形直接影响着其装配质量和性能稳定性。
大型薄壁铝合金壳体数控加工变形模拟分析与控制(上)
速 、进给 、切 削 力 、刀 长等 工艺 参 数 以及 采取 增 加弹
簧 、橡 皮 阻 尼 等 减振 措施 来 保 持 加 工 的稳 定 性 。
２ 加工过程中的变形机理分析 ．
（ ） 壳体加工 变形力学分析 １ 表 ２为铣削加工时切
铆接 、锻造 、铸造及熔焊等传统技术的手段 。
１ ．壳体加工工艺特点分析
（ ）壳体工 艺流程 １ ８ ｍ厚 蒙皮滚 卷校形 一８ ｍ ａ ｒ ｍ
壳体的技术指标要求高 ，如表 １ 所示。该 壳体加工 的主 要难点表现在加工后产品的壁厚均匀性难 以控制在公差
范 围 内 ，外 圆 、内孑 及 圆 度 等尺 寸 精 度 与 形 位 精 度 很 难 Ｌ
加工方式的区别对壳 体的变形影响也不相 同 ，从而 为加
速 、深度 、宽度计算其周期激励力 和频率范 围；根据上 述计算结果查找 出合适 的对策措 施 ，提高切削效率 。如 加工过程 中的噪声和振动较大 ，可 以通 过降低转速 、调 节进给 的方式 ，从而保证加工质量和效率 。通过改变转
工工序的协调与装夹定位 、切 削参数与刀 具 的确定 ，带
框本身的圆度直线度不一 ，粗加工工序难 以有效地将焊 接区域全部加工见光 ，圆度 、直线度 、焊接下压量等多
种因素导致存 在焊接区本身的加工不均匀性。⑥由于焊
ＷＷ ｅｔａ／ｗ ｏｒｋｉ 磐５ｎ Ｏ０ｍ Ｗ ｍ 生 ｎ口７ ９
．
参磊 工籼 工 。 ’ 。
接后 的舱段蒙皮 内外表面各工序 的加 工余量小 ，工序加
削参数对切削力的影响分布 。可 以看 出 ：铣 削加工时转
制进行分析 ，考虑壳体本 身的结构刚性与 稳定性 、壳 体 本身的物理力学性能及其 加工特性 、加工过 程 中的切削 力及其切削参数的影 响 、切 削时所用刀具 的影 响及 切削
大型立装类壁板变形控制
大型立装类壁板变形控制摘要：大型壁板类零多为结构件，特点为零件尺寸大、重量重、长度及宽度相对于厚度的比值大，属于薄壁件范畴。
其特点决定了平行于工作平面的惯性矩远大于垂直于工件平面的惯性矩，当重力平行工作平面时因自重产生的变形小，垂直于工作平面时产生的变形大。
依据工作平面相对于水平面位置可分为与水平面平行的平装类平板及与水平面垂直的立装类壁板。
在大型立装类壁板制造过程中因设备、工艺等因素的影响可能会采用平放加工，此时因放置状态与工作状态不一致，消除重力对工件变形的影响极为重要。
本文以某工程中一件大型立装壁板为例，介绍一种运用软件分析、摄影测量技术控制龙门铣加工立装类壁板变形的方法。
关键词：大型壁板、变形分析、变形控制、摄影测量1、平放加工必要性在大型零件制造中常用的设备有以落地镗铣床代表的卧工加工机床及以龙门铣为代表的立式加工机床。
因机床自身结构原因，在加工大型壁板类零件上各自优缺点都非常明显。
大型落地镗铣床为卧式加工设备，主轴方向为水平方向。
使用落地镗床加工立装类壁板时可做到加工放置状态与工作状态一致，能有效的避免工件立、卧状态转换时因重力因素导致工件平面度变化。
但立装类壁板因厚度较小、立放时工件重心高，导致装夹难度大，且有较高安全风险，需制作大量工装确保装夹安全性。
同时立放加工时顶部离工件台距离大，导致刚性较差，铣面粗糙度较难保证，加工效率低对加工刀具要求高。
大型龙门镗铣为立式加工设备，龙门架结构能很好的保证在X轴、Y轴全行程内机床主轴端面距工作台距离的一致性，非常适合加工大型平面。
使用龙门铣加工立装类壁板时，工件重心低，装夹简单，无额外保护工装，装夹经济、便利、快捷；同时仅靠自重产生的摩擦力即可抵消精加工时的刀具切削力，为工件在自由状态下精铣面提供了条件。
使用龙门铣加工立装类壁板时重力相对于工作面的方向与工作状态不一致。
因工件自身重量影响，很容易出现因支撑不当导致的两种状态下平面度差异过大的情况。
减少铝件加工变形的工艺措施和操作技巧
减少铝件加工变形的工艺措施和操作技巧铝件零件加工变形的原因很多，与材质、零件形状、生产条件等都有关系。
主要有以下几个方面：毛坯内应力引起的变形，切削力、切削热引起的变形，夹紧力引起的变形。
一、减少加工变形的工艺措施1、降低毛坯的内应力采用自然或人工时效以及振动处理，均可部分消除毛坯的内应力。
预先加工也是行之有效的工艺方法。
对肥头大耳的毛坯，由于余量大，故加工后变形也大。
若预先加工掉毛坯的多余部分，缩小各部分的余量，不仅可以减少以后工序的加工变形，而且预先加工后放置一段时间，还可以释放一部分内应力。
2、改善刀具的切削能力刀具的材料、几何参数对切削力、切削热有重要的影响，正确选择刀具，对减少零件加工变形至关重要。
1）合理选择刀具几何参数。
①前角：在保持刀刃强度的条件下，前角适当选择大一些，一方面可以磨出锋利的刃口，另外可以减少切削变形，使排屑顺利，进而降低切削力和切削温度。
切忌使用负前角刀具。
②后角：后角大小对后刀面磨损及加工表面质量有直接的影响。
切削厚度是选择后角的重要条件。
粗铣时，由于进给量大，切削负荷重，发热量大，要求刀具散热条件好，因此，后角应选择小一些。
精铣时，要求刃口锋利，减轻后刀面与加工表面的摩擦，减小弹性变形，因此，后角应选择大一些。
③螺旋角：为使铣削平稳，降低铣削力，螺旋角应尽可能选择大一些。
④主偏角：适当减小主偏角可以改善散热条件，使加工区的平均温度下降。
2）改善刀具结构。
①减少铣刀齿数，加大容屑空间。
由于铝件材料塑性较大，加工中切削变形较大，需要较大的容屑空间，因此容屑槽底半径应该较大、铣刀齿数较少为好。
②精磨刀齿。
刀齿切削刃部的粗糙度值要小于Ra=0.4um。
在使用新刀之前，应该用细油石在刀齿前、后面轻轻磨几下，以消除刃磨刀齿时残留的毛刺及轻微的锯齿纹。
这样，不但可以降低切削热而且切削变形也比较小。
③严格控制刀具的磨损标准。
刀具磨损后，工件表面粗糙度值增加，切削温度上升，工件变形随之增加。
航空铝合金整体结构件数控加工变形控制现状分析
航空整体结构件具有材料去除率大， 形状复杂，整体刚性较差的特点，对 切削加工提出了更高的要求，如图 1 所示。
航空结构件整体化是新一代大 型客机的发展趋势，已经成为现代飞 机 设 计 制 造 领 域 的 一 个 重 要 标 志。 整体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，是航空产品加工 工艺中的瓶颈之一。本文针对航空 铝合金，对整体结构件加工变形理论 和方法进行了深入的分析和研究，并 提出了航空整体结构件加工变形控 制的策略。
伸、时效等一系列工艺流程，在这些
案；Haruki 等提出将低熔点的合金
在加工变形严重影响航空整体 过程中因存在不均匀的温度场和不
浇注入薄壁结构型腔，从而大大提 结构件的加工精度和生产效率的情 均匀的弹塑性变形，板内产生了残余
高工件的刚度，有效抑制加工变形； 况下，深入研究大型整体结构件精确 应力。在加工过程中，随着材料的不
面的文献资料较少。J. Tlusty 等针 壁部位在切削力作用下发生变形以
（2）加工过程中毛坯初始残余
对 薄 壁 件 的 变 形 问 题 提 出 有 效 利 及大悬伸刀具在切削力作用下发生 应力的释放与重分布。
用零件的未加工部分作为支撑，从 变形，导致零件加工精度丧失。
航空整体结构件通常采用高强
而充分利用零件整体刚性的刀具
大，加工周期长，加工质量和精度很 整体框、整体肋和梁缘条等均为复杂
难控制，对此类航空整体结构件实现 形状整体结构件，对高效加工系统提
高精度、高效率和高可靠性的切削加 出了更高的ห้องสมุดไป่ตู้求，如图 2 所示。
航空发动机铝合金零部件加工变形控制策略
航空发动机铝合金零部件加工变形控制策略摘要：航空制造业对金属原材料的要求很高，要求所用的材料必须耐腐蚀、密度小，延展性高，具有导电导热性及良好的机械性能，铝合金的特性完全符合要求，因此在制造行业进行了大规模使用。
由于铝合金本身的优秀特质，这就给零件加工行业带来了挑战，目前制造业普遍使用切削手段处理铝合金，但是由于切削等操作会产生应力使铝合金变形，影响零件的完成度。
因此必须采用合理方式避免铝合金产生形变，提高零件品质。
文章以航空制造业中发动机的生产为例，分析了产生形变的应力，优化了铝合金的加工流程，并给出相应的解决措施。
关键词：航空发动机；铝合金；零部件；加工变形铝合金具有较大的延展性及导电导热能力，同时自重小又耐腐蚀，所以航天发动机主要使用铝合金作为制造原材料。
但是铝合金也存在一些弊端，在加工过程中，铝合金体内的残余应力会导致变形，严重影响了发动机的装配质量，如果不好好处理，会导致零件报废影响发动机的正常装配，造成成本的浪费，影响企业发展。
因此处理铝合金的应力形变问题具有很大的现实意义，本文通过以下几个方面进行详细阐述。
1铝合金零部件变形原因航空制造业有着严格的制造标准，航空零部件的生产工艺非常复杂，需要力学、机械、材料等多个领域共同融合。
如何减少铝合金在加工过程中的形变问题，是整个航空制造业探索的重要课题。
航空的零部件的变形由多种因素导致，例如材料配比、加工方法与工艺，零部件形状等，为了深入探究铝合金变形的原因，我们以航空发动机的制造为例进行深入探讨。
铝合金通常被用来制造航空发动机中压气机部分的半保护罩，结合箍环形成完整的组件。
铝合金是由金属材料混合而成，制造发动机的铝合金通常是镁、铜，镍、铝、铁五种金属元素按照1.5:2.3:1.1:1:1.1的比例混合，混合后的铝合金各项物理特性都非常好，在铝热处理后硬度高（HB120-140），很适合用于发动机制造。
半包护罩器件的设计图纸复杂，有多处薄壁需要加工，最小厚度仅为1.8mm，所以在加工中使用切削工艺会产生残留的应力，使硬件产生变形，影响了零件的精度。
大型飞机整体壁板板坯数控加工延展变形分析及控制
大型飞机整体壁板板坯数控加工延展变形分析及控制作者：暂无来源：《智能制造》 2017年第12期数控加工后的零件变形问题直接影响到飞机整体壁板的加工精度，本文从影响大型整体壁板板坯数控加工延展变形的因素出发，阐述了整体壁板板坯数控切削加工引起壁板板坯延展变形的原因，通过对整体壁板板坯数控切削加工延展应变的数值计算和试验数据对比，得出整体壁板数控切屑加工环节的延展变形规律及相应的加工变形控制策略。
飞机机翼整体壁板是现代军用、民用飞机的关键结构件，而大型飞机整体壁板成形技术则是飞机制造的关键技术之一。
整体壁板是由厚蒙皮和长桁等骨架零件组成的一个整体具有强度重量比高、总体和局部稳定性好、疲劳寿命长、，外形准确以及表面光滑等的特点，使其成为现代飞机普遍采用的高效率结构，也是影响战斗机综合性能的主要关键部件。
壁板类零件属于薄壁零件，在数控加工时，容易因强度刚性不够产生导致变形，且零件长度较大，更容易将零件变形扩大。
一、整体壁板制造流程整体壁板目前最常用的加工流程是先将整体壁板产品数模在三维工程CAD软件中进行展开计算，建立整体壁板板坯工艺数模，然后采用NC数控机床加工出壁板板坯，最后采用喷丸工艺将其成形到飞机气动所要求的形状。
图1为大型飞机机翼整体壁板的制造流程示意图，与传统的直接采用五坐标数控机床进行加工的方法相比，这种方法具有明显的优点：使用的预拉伸板料毛坯较薄，切削量相对较小，铣削加工设备只需要三坐标数控机床即可；喷丸成形后附带的强化工艺，可以大幅度的增强机械加工剥离金属后微观上的组织缺陷并预留残余压应力，从而能够极大的提高零件的抗疲劳特性。
在实际生产中普遍采用这种方法从而节省数控机床资源和避免材料浪费，因而具有成本低、零件表面质量优异等优点。
二、整体壁板板坯数控加工延展变形产生原因与大型整体壁板制造相关的应力包括：毛坯残余应力、加工应力、装夹应力等。
如图2所示，在机械加工过程中，在数控加工过程中，由于切削力及切削热等因素共同作用于零件，使得零件内部的应力平衡被打破，导致零件在加工过后必然要回复应力平衡状态而释放残余应力，从而导致零件变形。