航空铝合金加工时的变形控制

【前言】航空铝合金加工时的变形控制由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。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...

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。我国在前几年还以传统的制造业为主，航空制造加工工业的技术水平相对较低，加工时使用的仍是产同的铝合金切削工艺。这种切削工艺导致了我国航空制造加工业的落后。尤其是对于一些大尺寸零件和薄壁、型面复杂、复杂结构的难加工零件，如果采用这种加工方式，工艺路线复杂和加工周期长，周期要求难以得到满足。在这种情况下，只有通过高效高速的切削，才能够有效地提高加工效率。

2 对造成航空铝合金加工时变形因素的简要分析

飞机的整体结构件加工容易变形主要是由于构件刚度差以及加工时的切削力、切削振动和切削热所导致。引起这些问题的根本原因还是由于目前的航空整体构件加工仍缺乏系统的理论分析和研究。理论的缺乏直接导致加工参数的选取十分保守，从而影响到了高速加工中心性能的发挥。以下我们将简要就航空铝合金加工中的加工参数不合理、切削力的副作用和“让刀”现象进行分析。

2.1 加工参数的不合理

目前的航空构件制造业在材料加工过程中，由于对于力学、机械制造和切削加工等多种不同科学领域的涉及，导致了加工理论研究难度的加大，很难进行系统性的控制加工变形理论研究和切削加工时变形的理论分析。在这种情况下，航空构件的加工只能采取试切的态度，对于加工参数的选择就会十分保守。高速加工中心无法进行最有效的加工，很容易引起切削颤振，切削颤振会直接导致构件的薄壁部位变形。

2.2 切削力的副作用

据物理学理论分析，在金属材料的加工过程中，在切削力的作用下，零件的加工表面会产生残余应力，这种残余应力会导致零件的变形。在通常情况下，航空大型构件的材料加工是采用大悬伸刀具，强大的切削力度会导致产生更为突出的残余应力，这样极容易出现航空铝合金在加工中的变形现象。

2.3 “让刀”现象

“让刀”在加工工艺中主要是指在一次加工行程结束后，工件或工具回到一开始的位置并相互离开一定距离。这里的“让刀”现象指的是在航空构件制造的材料加工中，由于铝合金的屈强比大和弹性模量小，在加工切削时很有可能会产生回弹，从而对被加工的零件产生一定的形状误差。这种现象在大型薄壁构件的切削中尤为明显。航空构件的大型薄壁位置本身就比较多，所以“让刀”现象也成为了造成铝合金材料变形的主要原因之一。

3 解决铝合金加工时变形问题的策略

上文已大致分析了加工参数、切削力和“让刀”现象对航空铝合金构件加工的不利影响，现在我们将对这些问题的解决提出一些有效的解决策略：

3.1 选择合理的加工参数

合理的加工参数是保障切削质量的关键。在航空铝合金加工过程中即使拥有再先进的机床和道具，如果没有良好的加工技术，切削时依然很难避免引起其它问题。所以，在航空铝合金材料的实际加工中，选择适当的加工参数尤为重要。合理的工作参数的选择要求编程人员能够依据不同的加工方法和加工要求来正确编写数控加工程序，并以此来达到最大的切削效率和加工目标。

3.2 对残余应力的控制

由上文所述，残余应力在航空铝合金材料的切削中所导致的影响是不可忽视的。在解决此问题时，我们首先可以考虑材料本身，良好的取材可以从一定程度上减少零件受到残余应力的影响。在切削时，还可以尽量通过对称的方式去除材料，这样可以合理地释放材料加工时产生的残余应力。同时，还可以合理安排切削时零件的定位和材料的切除顺序，这也是减小残余应力的有效方法。结合第一点，在加工过程中，如果能够选择合理的加工参数，使得零件能够局部保持高刚度，即可充分发挥出高速切削的优势。这样一来，在高速切削时，所产生的热量会一部分被带走，这样就可以减少铝合金材料在加工中的热变形。

3.3 对加工零件的恰当使用

在对航空铝合金的加工过程中，如果能够选择中心环切的道具路径，即可使得零件在整个加工过程中都能够保持局部的高刚度。同时也要注意夹具的选择，减小材料加工过程中的底面变形可以采用真空夹具装夹；而在进行飞机蒙皮的铣削加工等大型薄壁加工时，一般选择柔性多点的组合式支撑装置来完成装夹。

3.4 对航空铝合金加工中的变形进行预测

值得一提的是，目前我们已经提出来一种航空构件加工全过程的物理仿真方法，它基于接力计算模型，可以提前预测出航空构件在切削加工中的变形行为。通过这种接力计算机系统可以对铝合金加工工艺的信息和有限元仿真计算信息进行转化，利用有限元模型来模拟航空构件的切削全过程。在整个模拟过程中，前文所提到的切削力副作用和残余应力等都会被考虑。利用这种接力计算系统对航空铝合金加工过程中的变形情况进行预测，从而起到良好地防范作用。

结语

在目前对于航空构件加工形位误差控制的高度要求下，航空制造加工产业对于铝合金加工时产生变形控制的需求也越来越高，高速切削工艺备受关注。虽然我国目前已经引进了先进的加工设备，但是由于国外对于航空铝合金加工的先进技术的封锁，我国无法引进先进的切削工艺，这导致了先进设备的功能难以得到完全应用。为此，国内的航空制造加工企业已经开始将生产和研究相结合，从高校和研究院所引入大量人才，对构件的制造加工进行了自主地研究，通过企业的自身条件再进行创新，从而掌握真正高效的航空铝合金加工变形的控制技术。

参考文献

[1]航空制造工程手册总编委员会.航空制造工程手册[M].北京:航空工业出版社.1995，(06).

[2]王兰志，张怀存.高速切削技术[J].航天制造技术.2008，（05）.

[3]吴国亮，朱琳华.高效高速加工在航空零件加工中的作用[J].洪都科技.2006，（04）.