飞机铝合金结构件数控加工变形分析与控制

　　1　问题提出

　　随着现代飞机性能要求的不断提高,许多骨架零件尤其是主承力结构件(如飞机的大梁、隔框、壁板、翼肋等)普遍采用由大型整块毛坯直接“挖空”而加工成复杂槽腔、筋条、凸台和减轻孔等整体结构件,材料切除量可达90% ~95%.目前某航空厂民机转包加工的飞机结构件,主要包括翼肋和端头类型的飞机骨架零件,这些零件通常包括薄的腹板和由垂直于腹板的薄壁筋板包围的开放格槽,一般具有单边特征,如图1所示,主要采取高强铝合金预拉伸厚板加高速铣削的加工方式.在实际加工中,因材料性质、工件毛坯的初始应力状态、加工工艺及零件几何特征导致加工时容易产生明显的残余应力释放引起变形,目前因控制变形而采取的保守切削措施又降低了加工效率,导致加工成本提高.

　　从典型结构件数控加工过程看,变形主要有3个直接来源:

　　1)刀具对工件的作用;

　　2)装夹具对工件的作用;

　　3)已切除材料残余应力的释放[1].

　　对典型单边结构件来说,不对称去除材料导致的工件内残余应力的不对称释放对变形的影响远大于其它2种因素的影响[2],因此本文也主要研究残余应力对加工变形的影响.

　　2　变形分析方法和流程

　　本文建立了准确描述加工系统的模型,通过计算机辅助仿真模拟制造过程,预测工件的加工变形、表面质量、残余应力状态,进一步总结变形原因及变形规律,提出减小变形的预防措施.

　　有限元结构分析可用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等,可以考虑静态载荷下结构的线性和非线性行为,也可以对结构作瞬态动力学分析,确定结构对随时间任意变化的载荷的响应.热分析可以模拟工件内的温度场分布,热机械耦合技术分析热应力引起的变形情况等.结构件加工变形控制研究将围绕对加工过程进行数字化建模与仿真分析展开,采用理论建模和有限元分析与实验验证相结合的方法,具体研究对象和流程如图2所示,根据具体加工情况和问题,研究对象材料确定为铝合金7075-T7451预拉伸板材.

　　具体研究选择典型翼肋类结构件对其加工过程、材料特性、实际加工变形情况进行了深入了解和研究,并将仿真预测结果与实际对比,验证模型的有效性,总结研究方法,有针对性的提出加工改进措施。

   3　残余应力分析及模拟施加

　　3. 1　工件内残余应力分析

　　工件产生变形的根本原因是内部的残余应力,残余应力的产生根本上是由于材料内各部分产生不均匀的形状和体积变化.在具体加工应用中,成形制造、热处理、机械加工等工艺都会形成不均匀残余应力.热处理引起的残余应力场在整个毛坯内分布,变化趋势较光滑[3].而切削加工过程引起的应力可以与此在同一数量级上,但是只限于工件表面很薄的一层内.加工后零件内的残余应力释放导致变形,残余应力可能加速结构的腐蚀和疲劳,使结构有可能在比设计载荷低的情况下失效.