□缪伟民

航天特种材料及工艺技术研究所 北京 100074

随着现代航空器高速、高机动性能要求的不断提高，航空器越来越多地采用整体薄壁结构件，这是现代飞机、航天器领域的一个革新。整体薄壁结构件质量轻，在刚度、抗疲劳强度，以及各种失稳临界值等方面均比铆接结构胜出一筹。然而，在整体结构件的数控加工过程中，常因毛坯初始应力、结构不对称性、加工工艺不完善、装夹不合理、加工过程切削力和切削热等因素的影响，导致整体薄壁结构件产生弯曲、扭曲及弯扭组合等加工变形，薄壁结构还会产生失稳现象，严重影响了整体薄壁结构件的生产效率和最终产品精度。可见，对整体薄壁结构件加工制造技术需要有更高的要求。

笔者以整体薄壁结构件为研究对象，从有限元仿真变形预测与控制、高精度加工装夹具优化、材料与工艺优化等方面进行阐述，总结了相关技术研究进展和相应的解决措施，为实现整体薄壁结构件高效高精度加工提出可行的技术方法，供实际生产参考、借鉴。

1 有限元仿真变形预测与控制

整体薄壁结构件结构复杂，尺寸大，在加工过程中常因复杂的动态热耦合作用而导致加工变形，因此加工变形预测与控制是整体薄壁结构件制造工艺研究的一个关键问题。近年来，随着计算机技术及数值计算理论与方法的飞速发展，有限元仿真技术开始在切削加工工艺理论研究中得到广泛应用。相对于试验研究和理论分析，有限元仿真技术能够节省大量时间和成本，并能够获得通过试验难以得到的物理力学参数，如应力、应变、应变率和温度等，因而采用有限元仿真技术研究和解决整体薄壁结构件数控加工变形问题成为当前研究的一个热点和重要方向。

1.1 受毛坯初始残余应力影响的加工变形预测与控制

通常机加工零件变形包括弹性变形、塑性变形、热变形和残余应力变形，其中残余应力为引起加工后零件变形的主要原因。残余应力指在无外力作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力。残余应力是内应力的一种，产生的原因为不均匀的塑性变形，已发生塑性变形部分与未发生塑性变形部分互相牵制而形成弹性应力场。在切削加工中，由于零件材料的去除打破了原有残余应力的平衡，从而引起零件变形[1-2]。

人们对残余应力的影响及变形预测进行了大量研究。余伟[3]应用有限元软件集成了数控加工过程有限元仿真模块，分析了毛坯初始残余应力对零件整体加工变形的影响。孙杰等[4]在对整体结构件加工变形问题的研究中，通过有限元模拟研究，发现毛坯初始残余应力对隔框零件整体加工变形起主要影响作用。王树宏[5]综合考虑毛坯初始残余应力、装夹条件和铣削力等因素的影响，建立了多因素耦合影响的铣削加工变形有限元分析模型，并将其应用于实际框类零件铣削加工变形的预测分析。

1.2 加工过程中变形预测与控制

文献[6-7]针对铝合金材料7050-T7451和钛合金材料的高速铣削加工，基于大变形理论和虚功原理，建立了切削加工过程的三维热-弹塑性有限元模型，利用这一模型对铝合金材料的高速切削加工过程进行了有限元模拟，分析了高速切削加工过程中切屑的形成过程及其形貌、三维铣削力的变化情况，以及应力、应变、切削温度及已加工表面残余应力的分布规律。采用所建立的有限元模型，可进一步对加工参数的优化进行研究，以提高加工质量和加工效率。

尚钰淇[8]对管类薄壁零件加工装备的铣头部分进行了静态和动态特性分析，并通过试验对铣头做了模态分析，确认在实际加工中对变形量影响较大的因素，并同时从工装夹具、工装方式和机械加工装备等角度对大型薄壁件的加工变形进行了分析，分析结果对实践有重要指导意义。此外，利用数值仿真模型对火箭大喷管直槽立式加工所产生的变形进行了分析，得出此类加工变形的主要特点，分析了边界约束条件、胎膜接触面大小等因素对加工变形的影响规律，对于管类薄壁零件的快速加工具有理论参考价值和实际指导意义。

胡创国[9]提出了整体薄壁结构件加工弹性变形误差的预测与补偿方法，介绍了加工表面静态误差的预测与补偿总体方案，应用有限元模拟技术，结合切削力模型迭代求解各个刀位点处的弹性让刀变形量，从而修正原始数控刀具轨迹代码，达到消除加工变形误差的目的。宋戈[10]通过研究发现，在整体薄壁结构件加工过程中，刀具挠度变形对加工表面产生让刀误差有比较显著的影响。其借助材料力学挠度叠加原理，通过各个方向挠度向量的叠加，构建了切削载荷条件下整体刀具沿特定方向挠度变形的理论预测模型。通过分析刀具挠度变形和结构件弯曲变形对刀具-结构件接触副的耦合作用规律，构建了以刀具-结构件变形为反馈的整体薄壁结构件铣削加工表面让刀误差及切削力柔性预测系统。

尽管采用有限元仿真技术能够对整体薄壁结构件加工变形进行预测，但是由于模拟中材料模型与实际结构件材料的物理属性不能很好吻合，而且在建模过程中进行了某些简化，无法全面考虑周围环境的影响，如温度、机床振动、刀具磨损等，因此有限元模拟结果和实际变形情况仍有较大差距。此外，在仿真过程中，摩擦模型及材料断裂准则与实际情况也存在一定偏差。

2 高精度加工装夹具优化

夹紧力是影响整体薄壁结构件变形的一个重要因素，结构件在机床上的装夹精度对加工精度有重要影响，20%～60%的加工误差是由装夹引起的。装夹具的刚度和稳定性直接影响结构件的加工尺寸和形状误差，尤其是对弱刚度结构件，夹紧力引起的变形更不容忽视。通过调整夹具元件的位置或添加必要的夹具元件，能够达到减小变形的目的。随着对整体薄壁结构件加工精度要求的不断提高，对装夹方案的优选研究逐渐受到重视。

周小兵[11]对整体薄壁结构件装夹变形作了分析研究，使用有限元仿真作为分析和计算变形的方法，提出了针对整体薄壁结构件装夹方案的设计原则，以及控制装夹变形的方法:① 采用子问题优化方法，对装夹方案中的装夹位置进行优化，以得到各装夹位置点的最优匹配，从而减小装夹变形；② 采用符合变夹紧力相关曲线的力来夹持结构件，并求解出典型零件在典型装夹方案下的变夹紧力相关曲线。

秦国华等[12]系统地提出了分析与优选夹紧力大小、作用点及夹紧顺序的通用方法，基于由摩擦力引起的接触力依赖性的特点，定量分析了多重夹紧元件及其作用顺序对整体薄壁结构件变形的影响，并建立了装夹方案的数学模型，同时提出基于最小总余能原理的有限元求解方法。此外，针对7075铝合金航空材料整体薄壁结构件，进行基于夹紧方案的结构件变形有限元仿真与模拟，模拟结果显示，夹紧力大小、作用点及夹紧顺序对结构件变形具有重要影响。

装夹方案的优选在整体薄壁结构件加工中尤为重要，需要进一步开展对整体薄壁结构件跟踪刀具轨迹智能装夹系统和应力均布装夹系统的研究，这些工作在理论和实践中仍需继续加强。

3 材料与工艺优化

何志英等[1]通过对大型整体薄壁结构件的加工过程进行变形、残余应力分布分析及试验，得出以下结论：①在将加工分为粗加工和精加工两个过程时，若精加工毛坯定位取粗加工毛坯的中心部位，则可以有效减小加工后的变形，且粗加工毛坯厚度越大，结构件最后的变形越小；②经过粗加工去除上下表面所获得的精加工毛坯，其内部残余应力比未进行粗加工的毛坯分布更均匀，应力值也较小，且粗加工毛坯厚度越大，残余应力值越小，分布越均匀；③ 在结构件加工过程中，随零件底板剩余厚度的减小，可以将变形分为变形增大和变形减小两个过程，在这两个过程中存在一个使结构件变形最大的变形临界点，在这一变形临界点处应采取有效措施减小结构件的变形。

王志刚等[13]根据ANSYS有限元分析结果，提出在精加工数控编程时，使刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附加一个偏置，补偿因变形而产生的让刀量，这样可大幅减小让刀误差。文献[4，9]在给定毛坯初始残余应力和装夹的条件下，利用有限元仿真技术模拟了不同铣削加工走刀路径对航空框类零件加工变形精度的影响，仿真结果表明，采用双面环切工艺有利于保持铣削表层残余应力始终处于平衡状态，能够较好地解决加工过程中整体薄壁结构件的扭曲变形问题，显著提高型面的加工精度。此外，通过采用双面铣削工艺，使薄壁叶片叶尖区域沿厚度方向的最大数控加工误差相比采用单面铣削工艺降低一个数量级。

张尚安等[14]对多个腔体的整体薄壁结构件采用先保证腹板尺寸，再加工筋、肋结构的方法。对于腔体比较单一，中间加强肋较少的变形控制，还要按需增加工艺凸台等加强结构，以对腹板起到加强作用。

另外，对于航空航天结构件制造中常采用的铝合金、钛合金材料，因为材料内应力大、变形倾向大，所以在进行粗加工后可按需要适当增加自然时效或人工时效工序，待应力有效释放后再进行精加工。

4 结束语

整体薄壁结构件数控加工变形是切削加工过程中毛坯初始残余应力、切削过程中热应力和机械应力，以及装夹应力等耦合作用的结果，尽管开展了切削加工过程变形预测与控制、装夹具、材料、工艺优化等方面的研究，但所进行的研究工作大多是独立进行的，因此还需要开展综合考虑切削载荷与装夹应力的研究。此外，工艺规划和数控编程技术在整体薄壁结构件加工变形控制中也起着非常重要的作用，需要重点关注。