複雜（zá）整體結構件（jiàn）數控加工變形分（fèn）析與控製

01前言

高速加工在航空製（zhì）造業已經普及，切削力和切削熱對加工變形的影響與毛坯初始殘餘應力的影響相（xiàng）比可以忽略不計。零件（jiàn）變形控製的重點逐（zhú）漸向應力分（fèn）布和材（cái）料力學方向發展。秦國華等建立了（le）簡支（zhī）梁零件殘餘應力引起加工變形（xíng）的（de）解析（xī）模型（xíng），通過模型分析快速準（zhǔn）確地確定（dìng）了簡（jiǎn）支梁零件的最低變形位（wèi）置。梅等用有限元法建立了刀具切削工件的力學模型，分析了切（qiē）削（xuē）力和殘餘應力對零件加工變形的影響。

簡單結構件的變形控製分析（xī）已有很多結論，但在實（shí）際複雜整體結構件的數控加（jiā）工過程中，將傳統結構件如框架、橫梁、支架等作為一個整體進行設計，很難通過顯式的數學計算給出單一的（de）變形控（kòng）製（zhì）方（fāng）法。基於材料的內應力（lì）、力平衡和力矩平衡，探索了複雜整體框（kuàng）架零件加工（gōng）過程中通用的（de）變形控（kòng）製加（jiā）工方法。零件（jiàn）加工方案的設計，粗加工毛（máo）料形式的（de）優化和時效，使零件充分變形，對修正基（jī）準和（hé）先加工易變形零件的方案進行闡述（shù）和探索，最終得到一（yī）體化複雜結構（gòu）零件變（biàn）形控（kòng）製效果較好的加工方案。

02

變（biàn）形機製分析

在自然狀態下，各部分處於平衡狀態，即∑F=0。此時，零件可能會變形。∑F的內應力等（děng）於零件變形產生的屈服應力F，零件處（chù）於平衡狀態。在數控加工過程中，金（jīn）屬材（cái）料（liào）的質量去除嚴重影響了金屬應力場的分布（bù），金屬材料的內力平衡和力矩平衡失控。數（shù）控銑削過程中零件的應（yīng）力（lì），其中∑F內應力是零件中各種應（yīng）力的合力(造成零件變形不可控)；∑F外力合力（lì）是加工過程（chéng）中施加在零件外部（bù）的所（suǒ）有力的合力（lì），包括（kuò）機床平麵對零件的支撐力F、壓板（bǎn）、真空吸附、螺栓等壓製方法對零件施加的（de）夾（jiá）緊力F、銑刀在銑削過程中產生（shēng）的切削力F，可以抑製∑F內應（yīng）力對材料的影（yǐng）響，使零件在數控加（jiā）工過程中不變（biàn）形，處於穩定狀態。

零件加工卸載後，去掉∑F的外（wài）力，零件整體應力狀態發生突變（biàn）。零件在∑F內應力的作（zuò）用下發生不可測的變形，通過變形產生屈服（fú）應力抗力F和∑F內（nèi）應力。當∑F再次（cì）等於0時，材料的變形停止，材料達到力平衡和力矩平衡的狀態。∑F內應力是零件數控加工過程中不可避免的，它（tā）與材料狀態、加工方案等（děng）有關。隻（zhī）能減少（shǎo）不能消除。

在粗加工過程中，材料去除率高，去除效率快。短時間內可以去除（chú）大部分材料，這會產生較大的內應力∑F內應力，最終導致粗加工後零（líng）件產生（shēng）較大的（de）機械變形。

從零件結構（gòu）方麵來說，隨著飛機零件設計水平的提高，複雜的一體化零件在設計初期會根據自身（shēn）的結構（gòu）進行避免變形的設計，比如合理的（de）筋條分布和設計連接等。，所以零件本身有一定的抗變形能力（lì）。

粗加工後零件內應（yīng）力趨（qū）於（yú）穩定（dìng），精加工（gōng）時材料（liào）去（qù）除量小。隨著零件內（nèi）外形狀的統一（yī）去除，零件內應力的分布不會受到很大影響，引起的內（nèi）應力是合理的，不會超過零件自身結構的屈服極限。因此，由內應力變化引起的零件（jiàn）變形很小。

03

老化法

時（shí）效工藝安排（pái）在粗加工之後，時效（xiào）工藝是零件內應力調整的過（guò）程。可采用超聲波、熱處理或振動（dòng）方（fāng）法（fǎ）去除殘餘應力。這些方法主要是（shì）通過消除內部殘餘應力來調整零件的內應力，減少內應力對零件變形的影響，但隻能去除部分殘（cán）餘應力。

本文重點介紹通（tōng）過時效（xiào）調整零件內應力的方法。粗加工後，零件在∑F內應力的作用下發生變形，但∑F內應力的作用不是瞬時的，而是隨著材料內（nèi）部殘餘應力的不斷釋放而不斷變化。當零件內部殘餘應力的（de）釋放趨（qū）於穩定時，零件變形產生（shēng）的屈服應力趨於極限，此時零件將不再變形。即使∑F內應力長時間繼續變化，內應力引起的變形也很小，基本不正確（què）。

整體變形有影（yǐng）響。老（lǎo）化過程一般需要較長（zhǎng）的周期，與材料（liào）、零件結構、環境溫濕度等因素有關。常見的老化方法有自然老化、高低溫老化、熱處理老（lǎo）化和振動老化（huà），其中自然老化成本最低，最容易操作，但周期較長。其他方法需要額外的設備和技術，但可以（yǐ）縮短老化時間（jiān）。為了最終控製零件的變形，應在粗加工後安排時效工藝，使零件充分變形。

04

基準校正（zhèng）

基準校正（zhèng）是（shì）零件變形控製的核心。粗加工和自然時效後，零件內應力（lì）處於平衡狀態，粗加工（gōng）材料被大量去除，因此產（chǎn）生的應力和（hé）變形較大，精加工餘（yú）量相對較小（xiǎo）且分布均勻，加工後產（chǎn）生的應力和（hé）變形較小，基本在設計要求的公差範圍內。在光整加工過程（chéng）中，加工參數、冷卻和（hé）夾緊力等因素對零件的變形也有很大（dà）的影響。其中，加工參數和冷卻可以很好地通過工藝控製（zhì），但夾緊力是最難控製精加工變形的。本（běn）文（wén）主要從基準校正的角度控製光整加工的夾緊應力，實現無應力夾緊。基準校正包括定位平麵校（xiào）正和定位基準校正。

4.1定位平麵校正

定位平麵是指零件夾緊過程中起主要支撐作用的平麵。由於（yú）零件結構不同，定位平麵可以是一個平麵，也可以是多個平麵，但異形平（píng）麵不（bú）利於定（dìng）位平（píng）麵的校正。因此，自然老化後的第一（yī）定位平麵應盡量設置為平（píng）麵（miàn）結構，避免設置為曲麵或斜麵。

在（zài）校正定位平麵的過程中，應盡可能（néng）避免夾緊力對零件毛坯的影響。夾（jiá）緊力隻限製零件的自由度，不引起零件變（biàn）形，即無應力夾緊和壓緊。在生產加工過程中，無應力（lì）夾緊方法如（rú）下:

(1)固體填料填（tián）充法

用石膏、乳膠等填充材料填充零件的內部和外部形狀。材料固化（huà）後，進行基（jī）準校正和後續零件修整。這（zhè）種（zhǒng）方法不需要輔助，操作簡單，容易實（shí）現（xiàn），但填充物不能（néng）重複使用，複雜零件數控加工後很難去除填充（chōng）物。而且填料容易腐蝕零件（jiàn）內表麵，造成零件表麵質量缺陷。

(2)局部鋁箔（bó）墊找平法

變形零件與工作支架之間的間隙用0.1mm厚的單片（piàn）鋁（lǚ）箔層壓板壓平，避（bì）免零件因夾緊力產生應力變形。該方法成本低，鋁箔可重複使用，操作簡單。但鋁箔層壓時，層間有縫隙（xì），穩定性差。平麵（miàn）校正過程中零件狀態發生變化，導致校正後平麵度（dù）不佳，影響平麵定位效果。

(3)浮動支撐壓實法（fǎ）

3.它（tā）是單浮動（dòng）支撐結構，浮（fú）動支撐的高度和方（fāng）向（xiàng）可以根據羊毛（máo）的變形進行調（diào）整。調整後會被壓板壓住。此時（shí）壓板和浮動支撐會壓（yā）緊零件起到固定作用，夾（jiá）緊力不會造成（chéng）零件變形。

浮動壓緊法對粗加（jiā）工後壓工藝耳的加工（gōng）方案適用性高（gāo），可以方便快（kuài）捷地固定變（biàn）形的毛，便（biàn）於後續的基準校正。

通過修改定位平麵（miàn），使零件在夾緊和壓緊過程中不會發（fā）生二（èr）次變形（xíng），即夾緊（jǐn）後零件的內應力∑F不會（huì）發生變（biàn）化，夾緊力隻（zhī）會限製運動。

4.2定位基準的修正

定位原點是加工坐標（biāo）係的（de）原點，零件時效完成後，坐標原點也需要修正。因為零（líng）件變形後加工原點可能會發生偏移，如（rú）果不進行修正，粗加工餘（yú）量就會（huì）不足，最終無法加工出零件。而且多工位加工部分需要多次校直校（xiào）直，建立加工坐（zuò）標係。如果點原點不準確，容易造成較大的重複定位誤（wù）差，影響零件的精度。

(1)直角（jiǎo）邊緣校（xiào）正

當零件的加工原點為直角邊時，校正定位平麵後校正直（zhí）角（jiǎo）邊，用（yòng）於基準找（zhǎo）正的直（zhí）角邊進行數控（kòng）銑削（xuē）。校正直角邊時，要注意（yì）單次校正量（liàng）不要太大，可以修整一些可用於校直找正的直邊，不需要（yào）銑掉所有直邊，避免直邊校（xiào）正造成內部形狀餘量分布不均勻。

(2)參考孔的校正

在數控零件加工過程中，大（dà）多數加工方案都是以（yǐ）基準孔作為定位和加工原點。參考孔修正，因為參考孔的修（xiū）正需要去除孔周圍的餘量，避免了單一方向修正餘（yú）量造成的內部形狀餘量分布不均勻。同時，以修正後的基準（zhǔn）孔作為定（dìng）位基準，可以大大提高零件多工位加工的重複定位精度。

在零件精加工前，通過校正定位平麵實現已加工零件的無應力（lì）夾緊，避免夾緊力（lì）造（zào）成零件變形。通過對定位基準的修正，避免了粗加工變形引（yǐn）起的基準（zhǔn）誤差，提高了多工位加工零件的重複定位精度。在定位平麵和定位基準雙重（chóng）修正的基礎（chǔ）上，避免了（le）粗加工變形對（duì）成品（pǐn）零件的影響。

05

先加工容易變形的零件。

複雜零件結構（gòu）一般具有高而薄的法蘭結構、懸空開口結構、突出無支撐結構等零件加工困難、易變形（xíng）的特點。易變形零件是基於零件結構的零件變（biàn）形控製方案（àn），兼顧宏觀和微觀加工（gōng）。通過調（diào）整零件局（jú）部特征的（de）加工順序，可以實現（xiàn）零件加工的變形控製。

宏觀變形控製是指根據（jù）零件的整體結構（gòu），對容易變形的區域和（hé）特征進行分析。例如，對開口結構件進行粗加工時，優先加工開口區域，使其充分變形；先將簡支梁結構件加工成無支撐懸空區；加工高薄筋邊結構時，先增加高薄筋底部的加工（gōng）餘量，優先（xiān）加工剛性差的頂部高薄筋邊。通過合理優化零件的（de）加（jiā）工順（shùn）序，可以避免零（líng）件剛度不足導致的加工變形（xíng）。

微變形控製方案是指在零件精加工過程中，通過調整內部特征的加（jiā）工順序，盡可能減小∑F內應力的變化。∑F內應力變化（huà）越小，精加工後零件變形越（yuè）小。結合時效控製，最終實現（xiàn）複雜整體結構件的加（jiā）工變形（xíng）控製。

06

標簽

(1)零件的粗加工過程是零件受力和變形的主要（yào）過程。粗加工時，零件90%以上的加工餘量被去除，零件內應力∑F變化較大。當外部夾緊應力消除時，零件變形很大。精加工時，零件內外形狀餘量均勻，殘餘（yú）材（cái）料去除量小。精加工後∑F內應力（lì）變化較小，零件結構本身具有一定的屈（qū）服抗力。精（jīng）加工後，∑F內應力引起的零件變形較小。

(2)時效過程（chéng）是粗加工後零件充分變形的必（bì）經過（guò）程，使（shǐ）零件內（nèi）應力重新分布，達到力和力矩的平衡。時效變形是精加工過程中（zhōng）控製∑F內應力的（de）必要條件。如果時效不充分，精加工引起的∑F內應力變化會很大（dà），粗變形會帶入精加工過程，最終導致零件（jiàn）變形失控。

(3)基準校正工序是消除夾緊力對零件變形影響的主要工序。通過基準校正，完（wán）成裝夾後零件的內應力σf等於0，從而（ér）實現了成品零件的（de）無應力裝（zhuāng）夾。此時夾緊（jǐn）力隻（zhī）是（shì）夾緊零件，不（bú）會產生（shēng）任何會導致零件變形（xíng）的力。通過基準校正，消除了粗加工零件變形對零件精加工的（de）影響，提高了多工位精加工零件的重複定位精度。

(4)先加工可變形零件是整體（tǐ）加工方案對（duì）零件變形的控製策略。根據零件的結構特點，粗加工時應先對可變形的結構區域進行加工，使其充分變形，然後再進行精加（jiā）工。精加工時（shí），先對結構薄弱、剛性差的區域進行加工，可以減少零件的結構特點對（duì）零件變形的影響。