複（fù）雜整體結構件數控加工變形分析與控製

01前言

高速加工在航空製造業已（yǐ）經（jīng）普及，切（qiē）削力和切削熱對加工（gōng）變形的影（yǐng）響與毛坯初（chū）始殘餘應力的影響（xiǎng）相比（bǐ）可以忽略不計。零件變形控製的重點逐漸（jiàn）向應力分布（bù）和材料力學（xué）方向發展。秦國華等建立了（le）簡（jiǎn）支梁（liáng）零件殘餘應力引起加工變形的解析模型（xíng），通過模型分（fèn）析快速準確地確定了簡支梁零件的最低變（biàn）形位置。梅等用有限元法建立了刀具切削工件的力學模型，分析了切削力和殘餘應力對零件加工變形的影響。

簡單結構（gòu）件的變形控製（zhì）分析已有很多結論，但（dàn）在（zài）實際複雜整體結構件的數控加工過程中，將傳統結構件如（rú）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變形控製方法。基於材料的內應（yīng）力、力平衡和力（lì）矩平衡，探索了複雜整體框（kuàng）架零件加工過程（chéng）中通用的變（biàn）形控製加工方法。零（líng）件加工方案的設（shè）計，粗加（jiā）工毛料形式的優化和時效，使零件充分變形（xíng），對修正基準和先加工易變形零件的方案進行闡（chǎn）述和（hé）探索，最終得到一體化複雜結構零件變形控製效果較好的加工方案。

02

變形機製分析

在（zài）自然狀（zhuàng）態下，各部分處於平衡狀態，即∑F=0。此時，零件可能會變形。∑F的內應力等於零件變形產生的屈服應力（lì）F，零件處於（yú）平衡狀態。在數控加工過程中，金屬材料（liào）的質量去除嚴（yán）重影響了金屬應力場的分布，金屬材料的內（nèi）力平衡和力矩平衡（héng）失控。數控銑削過程中零件的應力，其中∑F內應力是（shì）零件中各種應力（lì）的合（hé）力(造成零件變形（xíng）不可（kě）控)；∑F外力合力（lì）是加工過程中施加在零件外部的所有力的合力，包括機床平麵對零件的支撐力F、壓板、真（zhēn）空吸附、螺栓等壓製方法（fǎ）對零件施加的夾緊力F、銑（xǐ）刀在銑削過程中（zhōng）產生的切（qiē）削力F，可以（yǐ）抑製∑F內應力對材料的影響，使零件在數（shù）控加工（gōng）過程中（zhōng）不變形，處於穩定狀（zhuàng）態。

零（líng）件加工卸載（zǎi）後，去掉∑F的外力，零件整體應力狀態發生突變。零件在∑F內應力的作用下發生不可測的變形，通（tōng）過變形產（chǎn）生屈（qū）服應（yīng）力抗力F和∑F內應力（lì）。當∑F再次（cì）等於0時，材料的變形停止，材料達到（dào）力平衡和力矩平衡的狀態。∑F內應力（lì）是零件數控加工過程中不可避免的，它與材料（liào）狀態、加工方案等有（yǒu）關。隻能減少不能消除。

在粗加（jiā）工過程中，材料去（qù）除率高，去除效率快。短（duǎn）時間內可以去除大部分材料，這會產生較大（dà）的內應力∑F內應力，最終導致粗加工後零件（jiàn）產生較大的機械變（biàn）形。

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

粗加工後零件內應力趨（qū）於（yú）穩定（dìng），精加工時材料去除量小。隨著零件內外（wài）形狀的統一去除，零件內應力的分布不（bú）會受到很大影響（xiǎng），引起的（de）內應力是合理的，不（bú）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變形（xíng）很小。

03

老化法

時效工藝（yì）安排在粗加工之後，時效工藝是零件內（nèi）應力調整的過程。可采用超聲波、熱處理或（huò）振動方法去除殘餘應（yīng）力。這（zhè）些方法主要是通（tōng）過消（xiāo）除內部殘餘應力來調整零件的內應力，減（jiǎn）少內應力對（duì）零件變形的（de）影響（xiǎng），但隻能去除部（bù）分殘餘（yú）應力（lì）。

本文重點介紹通過（guò）時（shí）效調整零件內應力的方法。粗加工後，零件在∑F內應（yīng）力的作用下發生變形，但∑F內應力的作用不是瞬時的（de），而是（shì）隨著材料內部（bù）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）釋放趨於穩定時，零件變形產生的（de）屈服應力趨於極限，此時零件將不再變形。即（jí）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（zhèng）確。

整體變（biàn）形有影響。老化過程一般需要較長的（de）周期，與材（cái）料、零件結構、環境溫濕度（dù）等因素有關（guān）。常見的老化方法有自然老化、高低溫老化、熱處理老化和振（zhèn）動老化，其中自然老化成本最低，最容易操作，但周期較（jiào）長。其他（tā）方法需要額外（wài）的設備和（hé）技術，但可以縮短老化時間。為了最終控製零件（jiàn）的變形，應在粗加工後安（ān）排時效（xiào）工藝，使零件充分變形。

04

基準校（xiào）正

基準（zhǔn）校（xiào）正是零件（jiàn）變形控（kòng）製的核心。粗加工和（hé）自然時效後，零件內應力處於平衡狀態，粗加工材料被大量去除，因此產生的應力和變形較大，精加工餘量相對較（jiào）小且分布均勻，加工（gōng）後產生的應（yīng）力和變形較小，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（cān）數、冷卻（què）和夾（jiá）緊力等因素對零件的變形也有很大的影響。其中，加工參數和冷卻可以很好地通過工藝控製，但（dàn）夾緊力是最難控製精加（jiā）工變形的。本文（wén）主要從基準校正的角度控製（zhì）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正和定（dìng）位基準校正。

4.1定位平麵校正

定位平麵是指零（líng）件夾緊（jǐn）過程中起主要支撐作用的平麵。由於零件結構不同，定位平麵可以（yǐ）是一個平麵，也可以是多個平（píng）麵，但異形平（píng）麵不利於定位平麵的校正。因此，自然老化後（hòu）的第一定位平麵應盡量設置為平麵結構，避（bì）免設置為曲麵或斜麵。

在校正定位平麵的過（guò）程中，應（yīng）盡可能避免夾緊力對零件毛坯的影響。夾緊力（lì）隻限製零件的自由度，不引起零件變形，即無應力夾緊和壓緊。在（zài）生產（chǎn）加工過程中（zhōng），無應力夾（jiá）緊方法如下（xià）:

(1)固體填料填充法

用石膏、乳膠（jiāo）等（děng）填充材料填充零件的內部和外部形狀。材料固化後，進行基準校正和後續（xù）零件修整。這種方法不需要輔助，操作簡單，容易實現，但填充物不能重複使用，複雜零件數控加工後很（hěn）難去除填充物。而且（qiě）填料容易腐蝕零件內表麵，造成零件表麵質量缺陷。

(2)局部鋁（lǚ）箔墊（diàn）找平法

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

(3)浮動支撐壓實法

3.它（tā）是單浮動支撐（chēng）結（jié）構，浮動支撐的高度和方向可以根據羊毛的變形（xíng）進行調整（zhěng）。調整後會被壓板壓住。此時（shí）壓板和（hé）浮動支撐會壓緊（jǐn）零件起到固定作用，夾緊力不會造成零件變形。

浮動壓緊（jǐn）法（fǎ）對粗加工（gōng）後壓工藝耳（ěr）的（de）加工方案適（shì）用性高，可以方便快捷地固定變形（xíng）的毛，便於後續的基（jī）準（zhǔn）校正（zhèng）。

通（tōng）過修改定位平麵（miàn），使零件在夾緊和壓緊過程（chéng）中不會發（fā）生二次（cì）變形，即夾緊後零件的內應力∑F不會發生變化，夾緊力隻會限製運動（dòng）。

4.2定位基準的修正

定位原點是加工坐標係的原點，零件（jiàn）時效（xiào）完成後，坐標原點也（yě）需要（yào）修正。因（yīn）為零（líng）件變形（xíng）後加工原（yuán）點可能會（huì）發生偏移，如果不進行修正，粗加工餘量就會不足，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直，建立加工坐標（biāo）係。如果點原點不準確，容易造成較大的重複定（dìng）位誤差，影響零件的精度。

(1)直角邊緣校正（zhèng）

當零件的加工原點（diǎn）為直（zhí）角邊時，校正定（dìng）位平麵後校正直角邊，用於基準找正的直角（jiǎo）邊進行數控銑削。校正直角邊時，要注意單次校正量不要太大，可以（yǐ）修整一些可（kě）用於校直找正的（de）直邊，不需要銑掉所（suǒ）有直邊，避免直邊校正（zhèng）造成內部形狀（zhuàng）餘（yú）量分布不均勻。

(2)參考孔（kǒng）的校正（zhèng）

在數控（kòng）零件加工過程（chéng）中，大多（duō）數加工方案都是以基準孔作為定位和（hé）加工原（yuán）點。參（cān）考孔修正，因為參考孔的修（xiū）正需要去除孔周圍（wéi）的餘（yú）量，避免了單一方向修正餘量（liàng）造成的內（nèi）部形狀餘量分布不均勻。同時，以修正後的基準孔作為定（dìng）位基準（zhǔn），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（píng）麵實現已加工零件的無應力夾緊，避免夾緊力造成零件變形。通過對定位基（jī）準的修（xiū）正，避免了粗加工變形引起的基準誤差，提高（gāo）了多工位加工零件的重複定（dìng）位精度。在定位平麵和（hé）定位基準雙重修正的基礎上，避免了粗加工變形對成品零件的影響。

05

先（xiān）加工容易變形的（de）零件。

複雜零件結構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（líng）件加工困難、易變形的特點。易變形零件是基於零件結構的零件變（biàn）形控製方案，兼顧宏觀和微觀加工。通過調整零件局部特（tè）征（zhēng）的加工順序，可以實現（xiàn）零件（jiàn）加工的變（biàn）形控製。

宏觀（guān）變形（xíng）控製是指根據零件的整體結構（gòu），對容易變形的區域和特征進行分析。例如，對開口（kǒu）結構（gòu）件進行粗加工時，優先（xiān）加工開口區域（yù），使其充分變形；先將簡支梁結構件加工成無支撐懸空區；加（jiā）工高薄筋邊結（jié）構（gòu）時，先增加高（gāo）薄筋（jīn）底部的加工餘量，優先加工剛性差的頂部高（gāo）薄筋邊（biān）。通過（guò）合理優化零件的加工順序（xù），可以避免零件剛度不足導致的加工變形。

微變形控製方案是指在零件精加工過程中，通過調（diào）整（zhěng）內部特征的加工順序，盡可能減小∑F內應力的變化。∑F內應力變化越小，精加工（gōng）後零件變形越小。結合時效控製，最（zuì）終實現複（fù）雜整體結構件的加工變形控製（zhì）。

06

標簽

(1)零件的粗加工過程（chéng）是零件受力和變形的主要過程。粗加工時，零件90%以上（shàng）的加（jiā）工餘量被去除，零件內應力∑F變化（huà）較大。當外部夾緊應力消除時，零件（jiàn）變形很大。精加工時，零件內外形（xíng）狀餘量均勻，殘餘材料（liào）去除量小。精加工後∑F內應力變化較小，零件結構本身具有（yǒu）一定的屈服抗力。精加工後，∑F內應力引起的零件變形較小。

(2)時（shí）效過程是粗加工後零（líng）件充分變形（xíng）的必經過程，使零（líng）件內應（yīng）力重新分布，達到力和力（lì）矩的平衡。時效（xiào）變形是（shì）精加工過程中控製∑F內應力的必要條件。如果時效不充（chōng）分，精加工引（yǐn）起的∑F內應力變化會很大，粗變形（xíng）會帶入精加工過程，最終（zhōng）導致零件變形失控（kòng）。

(3)基準校正工序是消除夾緊力對零件變形（xíng）影響的主要工序。通過基準（zhǔn）校正，完成（chéng）裝夾後零件的內應力σf等於0，從而實現了成品零件的無應力裝夾。此時夾緊力隻是夾緊零件，不（bú）會產生任何會導致（zhì）零件變形的力。通過基準（zhǔn）校正（zhèng），消除了粗加工零件變（biàn）形對零件精加工的影響，提高（gāo）了多工位精加工零（líng）件的重複定位精度。

(4)先加工可變形零件是整體加工方案對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（duì）可變形的結構區域進行加工，使其充分變形，然後再進行精加工。精（jīng）加工時（shí），先對結構薄弱、剛性差（chà）的區域進行加工，可以減少零件的結構特點對零件變形的影響。