复杂整体结构件数控加工变形分析与控制

01前言

高速加工在航空制造业已经普及，切削力和切削热对加工变形的影响与毛坯初始残余应力的影响相比可以忽略不计。零件变形控制的重点逐渐向应力分布和材料力学方向发展。秦国华等建立了简支梁零件残余应力引起加工变形的解析模型，通过模型分析快速准确地确定了简支梁零件的最低变形位置。梅等用有限元法建立了刀具切削工件的力学模型，分析了切削力和残余应力对零件加工变形的影响。

简单结构件的变形控制分析已有很多结论，但在实际复杂整体结构件的数控加工过程中，将传统结构件如框架、横梁、支架等作为一个整体进行设计，很难通过显式的数学计算给出单一的变形控制方法。基于材料的内应力、力平衡和力矩平衡，探索了复杂整体框架零件加工过程中通用的变形控制加工方法。零件加工方案的设计，粗加工毛料形式的优化和时效，使零件充分变形，对修正基准和先加工易变形零件的方案进行阐述和探索，最终得到一体化复杂结构零件变形控制效果较好的加工方案。

02

变形机制分析

在自然状态下，各部分处于平衡状态，即∑F=0。此时，零件可能会变形。∑F的内应力等于零件变形产生的屈服应力F，零件处于平衡状态。在数控加工过程中，金属材料的质量去除严重影响了金属应力场的分布，金属材料的内力平衡和力矩平衡失控。数控铣削过程中零件的应力，其中∑F内应力是零件中各种应力的合力(造成零件变形不可控)；∑F外力合力是加工过程中施加在零件外部的所有力的合力，包括机床平面对零件的支撑力F、压板、真空吸附、螺栓等压制方法对零件施加的夹紧力F、铣刀在铣削过程中产生的切削力F，可以抑制∑F内应力对材料的影响，使零件在数控加工过程中不变形，处于稳定状态。

零件加工卸载后，去掉∑F的外力，零件整体应力状态发生突变。零件在∑F内应力的作用下发生不可测的变形，通过变形产生屈服应力抗力F和∑F内应力。当∑F再次等于0时，材料的变形停止，材料达到力平衡和力矩平衡的状态。∑F内应力是零件数控加工过程中不可避免的，它与材料状态、加工方案等有关。只能减少不能消除。

在粗加工过程中，材料去除率高，去除效率快。短时间内可以去除大部分材料，这会产生较大的内应力∑F内应力，最终导致粗加工后零件产生较大的机械变形。

从零件结构方面来说，随着飞机零件设计水平的提高，复杂的一体化零件在设计初期会根据自身的结构进行避免变形的设计，比如合理的筋条分布和设计连接等。，所以零件本身有一定的抗变形能力。

粗加工后零件内应力趋于稳定，精加工时材料去除量小。随着零件内外形状的统一去除，零件内应力的分布不会受到很大影响，引起的内应力是合理的，不会超过零件自身结构的屈服极限。因此，由内应力变化引起的零件变形很小。

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老化法

时效工艺安排在粗加工之后，时效工艺是零件内应力调整的过程。可采用超声波、热处理或振动方法去除残余应力。这些方法主要是通过消除内部残余应力来调整零件的内应力，减少内应力对零件变形的影响，但只能去除部分残余应力。

本文重点介绍通过时效调整零件内应力的方法。粗加工后，零件在∑F内应力的作用下发生变形，但∑F内应力的作用不是瞬时的，而是随着材料内部残余应力的不断释放而不断变化。当零件内部残余应力的释放趋于稳定时，零件变形产生的屈服应力趋于极限，此时零件将不再变形。即使∑F内应力长时间继续变化，内应力引起的变形也很小，基本不正确。

整体变形有影响。老化过程一般需要较长的周期，与材料、零件结构、环境温湿度等因素有关。常见的老化方法有自然老化、高低温老化、热处理老化和振动老化，其中自然老化成本最低，最容易操作，但周期较长。其他方法需要额外的设备和技术，但可以缩短老化时间。为了最终控制零件的变形，应在粗加工后安排时效工艺，使零件充分变形。

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基准校正

基准校正是零件变形控制的核心。粗加工和自然时效后，零件内应力处于平衡状态，粗加工材料被大量去除，因此产生的应力和变形较大，精加工余量相对较小且分布均匀，加工后产生的应力和变形较小，基本在设计要求的公差范围内。在光整加工过程中，加工参数、冷却和夹紧力等因素对零件的变形也有很大的影响。其中，加工参数和冷却可以很好地通过工艺控制，但夹紧力是最难控制精加工变形的。本文主要从基准校正的角度控制光整加工的夹紧应力，实现无应力夹紧。基准校正包括定位平面校正和定位基准校正。

4.1定位平面校正

定位平面是指零件夹紧过程中起主要支撑作用的平面。由于零件结构不同，定位平面可以是一个平面，也可以是多个平面，但异形平面不利于定位平面的校正。因此，自然老化后的第一定位平面应尽量设置为平面结构，避免设置为曲面或斜面。

在校正定位平面的过程中，应尽可能避免夹紧力对零件毛坯的影响。夹紧力只限制零件的自由度，不引起零件变形，即无应力夹紧和压紧。在生产加工过程中，无应力夹紧方法如下:

(1)固体填料填充法

用石膏、乳胶等填充材料填充零件的内部和外部形状。材料固化后，进行基准校正和后续零件修整。这种方法不需要辅助，操作简单，容易实现，但填充物不能重复使用，复杂零件数控加工后很难去除填充物。而且填料容易腐蚀零件内表面，造成零件表面质量缺陷。

(2)局部铝箔垫找平法

变形零件与工作支架之间的间隙用0.1mm厚的单片铝箔层压板压平，避免零件因夹紧力产生应力变形。该方法成本低，铝箔可重复使用，操作简单。但铝箔层压时，层间有缝隙，稳定性差。平面校正过程中零件状态发生变化，导致校正后平面度不佳，影响平面定位效果。

(3)浮动支撑压实法

3.它是单浮动支撑结构，浮动支撑的高度和方向可以根据羊毛的变形进行调整。调整后会被压板压住。此时压板和浮动支撑会压紧零件起到固定作用，夹紧力不会造成零件变形。

浮动压紧法对粗加工后压工艺耳的加工方案适用性高，可以方便快捷地固定变形的毛，便于后续的基准校正。

通过修改定位平面，使零件在夹紧和压紧过程中不会发生二次变形，即夹紧后零件的内应力∑F不会发生变化，夹紧力只会限制运动。

4.2定位基准的修正

定位原点是加工坐标系的原点，零件时效完成后，坐标原点也需要修正。因为零件变形后加工原点可能会发生偏移，如果不进行修正，粗加工余量就会不足，最终无法加工出零件。而且多工位加工部分需要多次校直校直，建立加工坐标系。如果点原点不准确，容易造成较大的重复定位误差，影响零件的精度。

(1)直角边缘校正

当零件的加工原点为直角边时，校正定位平面后校正直角边，用于基准找正的直角边进行数控铣削。校正直角边时，要注意单次校正量不要太大，可以修整一些可用于校直找正的直边，不需要铣掉所有直边，避免直边校正造成内部形状余量分布不均匀。

(2)参考孔的校正

在数控零件加工过程中，大多数加工方案都是以基准孔作为定位和加工原点。参考孔修正，因为参考孔的修正需要去除孔周围的余量，避免了单一方向修正余量造成的内部形状余量分布不均匀。同时，以修正后的基准孔作为定位基准，可以大大提高零件多工位加工的重复定位精度。

在零件精加工前，通过校正定位平面实现已加工零件的无应力夹紧，避免夹紧力造成零件变形。通过对定位基准的修正，避免了粗加工变形引起的基准误差，提高了多工位加工零件的重复定位精度。在定位平面和定位基准双重修正的基础上，避免了粗加工变形对成品零件的影响。

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先加工容易变形的零件。

复杂零件结构一般具有高而薄的法兰结构、悬空开口结构、突出无支撑结构等零件加工困难、易变形的特点。易变形零件是基于零件结构的零件变形控制方案，兼顾宏观和微观加工。通过调整零件局部特征的加工顺序，可以实现零件加工的变形控制。

宏观变形控制是指根据零件的整体结构，对容易变形的区域和特征进行分析。例如，对开口结构件进行粗加工时，优先加工开口区域，使其充分变形；先将简支梁结构件加工成无支撑悬空区；加工高薄筋边结构时，先增加高薄筋底部的加工余量，优先加工刚性差的顶部高薄筋边。通过合理优化零件的加工顺序，可以避免零件刚度不足导致的加工变形。

微变形控制方案是指在零件精加工过程中，通过调整内部特征的加工顺序，尽可能减小∑F内应力的变化。∑F内应力变化越小，精加工后零件变形越小。结合时效控制，最终实现复杂整体结构件的加工变形控制。

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标签

(1)零件的粗加工过程是零件受力和变形的主要过程。粗加工时，零件90%以上的加工余量被去除，零件内应力∑F变化较大。当外部夹紧应力消除时，零件变形很大。精加工时，零件内外形状余量均匀，残余材料去除量小。精加工后∑F内应力变化较小，零件结构本身具有一定的屈服抗力。精加工后，∑F内应力引起的零件变形较小。

(2)时效过程是粗加工后零件充分变形的必经过程，使零件内应力重新分布，达到力和力矩的平衡。时效变形是精加工过程中控制∑F内应力的必要条件。如果时效不充分，精加工引起的∑F内应力变化会很大，粗变形会带入精加工过程，最终导致零件变形失控。

(3)基准校正工序是消除夹紧力对零件变形影响的主要工序。通过基准校正，完成装夹后零件的内应力σf等于0，从而实现了成品零件的无应力装夹。此时夹紧力只是夹紧零件，不会产生任何会导致零件变形的力。通过基准校正，消除了粗加工零件变形对零件精加工的影响，提高了多工位精加工零件的重复定位精度。

(4)先加工可变形零件是整体加工方案对零件变形的控制策略。根据零件的结构特点，粗加工时应先对可变形的结构区域进行加工，使其充分变形，然后再进行精加工。精加工时，先对结构薄弱、刚性差的区域进行加工，可以减少零件的结构特点对零件变形的影响。