大型铝合金机翼整体壁板加工变形控制技术

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1、大型铝合金机翼整体壁板加工变形控制技术DeformationControlTechnologyofIntegralPannelforLargeAluminiumAlloyWing中航工业陕西飞机工业(集团)有限公司工程技术部林震宇刘庆华黄官平王梅郭绍华林震宇中航工业陕西飞机工业(集团)有限公司工程技术部高级工程师，现从事大型飞机数宇化制造及加工变形控制技术研究。航空航天工业数字化设计及制造技术的快速发展，对现代飞行器的性能要求不断提高，飞机设计结构发生了变化，开始大量采用整体结构设计，如整体框、梁、壁板等零件，零件的大型化和结构整体化趋势日趋明显，以铝合金材料为主导的大型整体结构件在

2、航空航天等领域获得了广泛的应用。由于这类零件具有轻量146航空制造技术·2013年第1／2期为了控制飞机重量，飞机零件的一个显著特点就是进行了薄壁化设计，但在零件的加工过程中，由于薄壁零件加工刚性差，切削过程中受到切削力、切削热的作用容易产生变形。同时由于零件内的残余应力对零件结构尺寸稳定性都有很大的影响。导致零件在加工过程中和结束后变形较大。所以。航空整体壁板在制造技术中所面对的最突出问题之一就是加工变形。化、薄壁化和整体化的特点，采用数控加工方法已成为当前飞机产品中整体复杂结构件最主要的加工手段，是现代武器装备研制和生产中最主要的工艺方法。为了控制飞机重量，飞机零件的一个显著特点

3、就是进行了薄壁化设计，但在零件的加工过程中，由于薄壁零件加工刚性差，切削过程中受到切削力、切削热的作用容易产生变形。同时由于零件内的残余应力对零件结构尺寸稳定性都有很大的影响，导致零件在加工过程中和结束后变形较大。所以，航空整体壁板在制造技术中所面对的最突出问题之一就是加工变形。影响数控切削加工变形的主要因素飞机整体结构件数控加工变形产生的原因很多，与毛坯材料、零件结构形状、工艺方法、加工设备(图1)和操作者经验等均有关。引起整体结构件加工变形的主要因素有以下几个方面：(1)零件的材料特性和结构特点。航空结构件的材料一般为高强—_——■一毒一：：图1高速翻版铣度铝合金，其弹性模量为7

4、0GPa左右，约为钢的1／3。由于弹性模量较小，屈强比大，在切削过程中极易产生回弹，特别是大型薄壁零件。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，自身刚度低，也是产生较大变形的内在因素。(2)加工过程中毛坯残余应力的释放与重新分布。航空整体结构件(图2)通常采用高强度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新分布，原来的应力自平衡状态遭到破坏，零件只有通过变形才能达到

5、新的平衡状态。毛坯残余应力的释放和重新分布是引起零件加工变形的重要原因。(3)切削过程中刀具与零件的热藕合作用。刀具对零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。一方面零件与刀具的接触部分发生图2大型整体结构件弹塑性变形，材料纤维层不断被切断；另一方面零件壁厚较薄，加工中产生回弹、让刀现象，加工精度不易保证。另外，被切削材料在刀具的作用下，产生大量切削热，造成零件各部位的温度不均，使其发生热变形(图3)。(4)零件的装夹。在装夹力的作用下和装夹方式的不合理使零件内部形成装夹应力而发生零件变形，对于刚性较差的薄壁结构件，装夹引起的加工变形不容忽视。抑制铝合金板残余应

6、力的技术现状原材料制造中的残余应力有两种抑制方法，一是抑制淬火过程中残余应力的产生；二是用工艺方法消除或降低已产生的淬火残余应力。但采用优化淬火工艺参数来降低残余应力并不彻底。因此，本文在消除航空铝合金淬火残余应力工艺上投入了大量研究工作，主要有：(1)机械拉伸法。它是将铝合金板淬火后在一定的时间内沿轧制方向进行拉伸，使拉图3铝台金整体壁板的JJQT2013年第1／2期·航窄制造技术147掣．。伸应力与板内残余应力相叠加后产生一定量的塑性变形，然后再进行时效，使残余应力得以缓和与释放。机械拉伸法可消除90％以上的淬火残余应力。(2)模冷压法。它是在特制的精整模具中，通过严格控制的限量

7、冷整形来消除复杂形状铝合金模锻件的残余应力。(3)深冷处理法。它将固溶处理后的铝板或毛坯侵入液氮中深冷，待内外温度均匀后又迅速地用热蒸汽喷射，通过急冷与热时效法是目前还在广泛采用的传统机械加工时效方法，通过将金属结构件加热到一定温度，保温后控制降温，达到消除残余应力的目的，可以保证加工精度和防止裂纹产生。(2)自然时效法。自然时效法是将零件长时间放置在自然环境，利用环境温度的季节性变化和时间效应使残余应力释放，由于周期太长和占地面积大，仅适应长期单一品种的