铝合金整体结构件加工变形影响因素

在大型航空整体结构件的精密加工过程中，由于缺乏系统的切削加工变形机理分析以及控制加工变形理论的研究，目前主要采用试切与经验结合的方式来确定加工工艺，加工参数不合理，参数选取较保守，未能充分发挥高速加工中心的性能，造成加工表面质量恶化，加工效率低。在加工过程中存在的突出问题主要表现在以下方面。

在加工变形严重影响航空整体结构件的加工精度和生产效率的情况下，深入研究大型整体结构件精确加工工艺策略及安全校形技术，寻求和探索加工变形的规律和机理，建立预测和控制加工变形的模型，将为优化加工工艺提供理论依据，实现航空整体结构件的高效精密加工。

航空整体结构件的加工变形产生的原因很多，与毛坯的材料、工件的几何形状及刚度，以及加工工艺方法和加工设备等均有关系，如图3所示。

经研究分析，引起整体结构件加工变形的主要因素有以下方面。

(1)工件的材料力学特性与结构特点。

航空铝合金的弹性模量约为70~73MPa，约为钢的1/3。由于其弹性模量小、屈强比大，在切削过程中极易产生回弹，特别是大型薄壁结构件，“让刀”和回弹现象更为严重;另外，航空整体结构件形状复杂，几何结构不对称，薄壁部位多，自身刚度差等，也是产生较大变形的内在因素。

(2)加工过程中毛坯初始残余应力的释放与重分布。

航空整体结构件通常采用高强度变形铝合金厚板直接铣削加工而成。为获得理想的机械性能，铝合金预拉伸板必须经过轧制、固溶、拉伸、时效等一系列工艺流程，在这些过程中因存在不均匀的温度场和不均匀的弹塑性变形，板内产生了残余应力。在加工过程中，随着材料的不断去除，板内残余应力发生释放与重分布，原来的应力自平衡状态遭到破坏，工件只有通过变形才能达到新的平衡状态。己有研究表明：毛坯初始残余应力的释放和重分布是引起航空整体结构件加工变形的重要原因之一。

(3)切削过程中刀具与工件间的热-力耦合作用。

刀具对工件的作用主要表现在切削力、切削热和加工表层留下的切削残余应力。在切削力的作用下，一方面工件与刀具的接触部分发生弹塑性变形，材料不断被刀具切除;另一方面工件产生回弹效应，发生“让刀”现象，特别是对于薄壁部分，“让刀”对加工精度的影响不容忽视。

另外，被切削的材料在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而消耗功，切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也要消耗功，导致产生大量切削热，造成工件各部位的温度不均，使其发生热变形。切削加工铝合金在工件表层留下的残余应力层的深度一般在0.1mm以内，当工件厚度较大时，其刚性也大，切削加工产生的残余应力几乎不会使其变形，然而对于航空整体件来说，其壁厚多在2mm以内，此时残余应力对变形的影响不可忽略。

(4)工件的装夹。

在装夹力的作用下工件发生变形，在内部形成装夹应力场并产生相应的位移。当刀具进行切削加工时，会出现“过切”或“欠切”现象，从而造成工件表面几何误差变形，对于刚性较差的薄壁结构件，装夹是引起加工变形的一个重要因素。