趙明偉，岳彩旭，陳志濤，張俊濤，劉獻(xiàn)禮

（1.哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150080；2.先進(jìn)制造智能化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080）

航空結(jié)構(gòu)件因其輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、空間結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)良特性，在新一代航空航天飛行器中得到廣泛應(yīng)用，如整體框架、整體壁板與大型框梁等薄壁零件，其去除材料加工方式多以銑削為主。由于航空結(jié)構(gòu)件加工過程中材料去除率高，成形后結(jié)構(gòu)件的相對(duì)剛度降低，在加工時(shí)易出現(xiàn)切削振動(dòng)和彈性變形，無法保證工件尺寸精度和表面質(zhì)量，從而影響結(jié)構(gòu)件的加工效率和制造成本[1-2]，而且航空結(jié)構(gòu)件在材料去除過程中受到切削力、切削熱等因素的作用極易產(chǎn)生加工變形[3-4]。同時(shí)由于鈦合金、高溫合金及復(fù)合材料等難加工材料的彈性模量小、比強(qiáng)度高，在加工過程中易發(fā)生彈性回彈，變形問題更加突出，使得控制變形成為關(guān)鍵性問題。航空結(jié)構(gòu)件在加工過程中出現(xiàn)的變形，是直接影響結(jié)構(gòu)件加工精度、加工質(zhì)量以及生產(chǎn)效率的重要因素，因此，預(yù)測(cè)和控制航空結(jié)構(gòu)件加工變形的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究對(duì)航空結(jié)構(gòu)件分類及工藝特性進(jìn)行總結(jié)，分析了航空結(jié)構(gòu)件加工變形機(jī)理，并對(duì)薄壁件銑削力建模的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，簡(jiǎn)述了現(xiàn)有航空結(jié)構(gòu)件銑削過程中加工變形的預(yù)測(cè)與控制方法。

1 分類

航空結(jié)構(gòu)件向整體化、薄壁化、結(jié)構(gòu)承載與功能綜合化等方向發(fā)展，因此大量采用整體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)通過機(jī)械方式連接多個(gè)框段的形式改為單個(gè)整體式框架結(jié)構(gòu)，在保持結(jié)構(gòu)件剛度和強(qiáng)度的前提下，需要在結(jié)構(gòu)件中設(shè)計(jì)型腔、筋板與減輕孔等幾何結(jié)構(gòu)，減輕飛機(jī)的整機(jī)重量[5-7]。根據(jù)不同的使用環(huán)境，結(jié)構(gòu)件的材料主要有鋁合金、鈦合金及復(fù)合材料等。依據(jù)結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)件由框架類、整體壁板類、框梁類等形式組成，因其自身幾何結(jié)構(gòu)的不同，結(jié)構(gòu)件特性也有所差異[8]。

1.1 框架類零件

該類零件是航空飛行器主要的承載部件，也是保證飛行器姿態(tài)穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)件，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)由多邊形型腔、加強(qiáng)筋形式的腹板組成，其筋板及腹板壁厚在1.5～3mm之間。此類零件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，具有較多的形位公差要求，裝夾和定位困難[9-10]。在加工中由于刀具磨損狀態(tài)等時(shí)變特性，造成不同加工位置的載荷不同，在單個(gè)整體框架類零件中每段腹板的幾何尺寸也會(huì)隨著外部載荷的不同發(fā)生相應(yīng)的厚度變化。

圖1 整體框架類零件Fig.1 Overall frame parts

1.2 整體壁板類零件

該類零件由整塊板坯切削加工成形無需采用連接技術(shù)，而是將蒙皮與桁條框架等強(qiáng)化結(jié)構(gòu)部分制成單獨(dú)整體具有筋板結(jié)構(gòu)的板件[11-12]，如圖2所示。鑒于整體壁板結(jié)構(gòu)零件的整體特性，可以實(shí)現(xiàn)零件的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，有效提高結(jié)構(gòu)承載，減輕整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。該類零件與鉚接、焊接及螺栓連接方式相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間幾何結(jié)構(gòu)，滿足較好的氣動(dòng)外表面要求和飛行器的防護(hù)需求；（2）筋板可以根據(jù)不同位置蒙皮需求設(shè)計(jì)成多種截面形狀（平行、三角形、梯形等）；（3）蒙皮厚度可以根據(jù)使用環(huán)境的不同呈現(xiàn)等厚度和階梯厚度，以提高構(gòu)件使用性能。該類零件的缺點(diǎn)是整體尺寸大，零件剛性低，在加工過程中材料去除率高，因此易出現(xiàn)變形。

圖2 整體壁板類零件Fig.2 Integral siding parts

1.3 框梁類零件

由于航空飛行器具有輕質(zhì)量、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，在局部位置連接工藝中框梁結(jié)構(gòu)件起到了重要作用[13]。圖3所示為某型號(hào)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)位置起到固定作用的框梁形式結(jié)構(gòu)件。該類零件不僅要有輕質(zhì)化的特點(diǎn)，還要滿足高強(qiáng)度與高剛度要求，但是此類零件長(zhǎng)寬比大，為5∶1，受切削力和切削熱等因素的影響，在進(jìn)行裝夾加工時(shí)兩端易產(chǎn)生翹曲和扭曲變形。

圖3 框梁類結(jié)構(gòu)件Fig.3 Frame beam type structural part

2 加工變形機(jī)理及影響因素分析

航空結(jié)構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大及相對(duì)剛性低等特點(diǎn)，在加工過程中會(huì)產(chǎn)生彈性變形，使得加工過程中易引起切削振動(dòng)，導(dǎo)致尺寸精度與表面質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的使用性能[14-15]。影響航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的因素很多，如圖4所示，與毛坯材料、工件幾何形狀設(shè)計(jì)、工藝安排、加工設(shè)備和設(shè)備操作者加工經(jīng)驗(yàn)等均有聯(lián)系。本文從機(jī)理方面分析切削力和切削熱、材料及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、殘余應(yīng)力的釋放和再平衡、工件裝夾條件和切削路徑等因素對(duì)工件加工變形的影響。

圖4 加工變形的影響因素Fig.4 Influence factors of machining deformation

2.1 切削力和切削熱對(duì)加工變形的影響

在薄壁結(jié)構(gòu)加工過程中，切削力是導(dǎo)致變形的主要因素之一，如圖5所示，切削力使工件產(chǎn)生彈性和擠壓變形的同時(shí)刀具也會(huì)產(chǎn)生變形[16]。切削過程中切屑的塑性變形、切屑與已加工表面及前、后刀面之間摩擦效應(yīng)，使得工件表層和基層呈現(xiàn)較大的溫度差，而基層材料阻礙了表層材料體積膨脹趨勢(shì)。在切削力和切削熱作用下導(dǎo)致工件應(yīng)力分布失穩(wěn)，加劇加工變形效應(yīng)[17]。

圖5 切削力導(dǎo)致的工件變形Fig.5 Workpiece deformation caused by cutting force

2.2 材料特性及結(jié)構(gòu)特性

航空結(jié)構(gòu)件一般多采用鈦合金、高溫合金和復(fù)合材料，此類難加工材料的彈性模量小、比強(qiáng)度高，在加工過程中易發(fā)生彈性回彈，特別是大型航空結(jié)構(gòu)件，回彈現(xiàn)象更為嚴(yán)重[18]。另外，結(jié)構(gòu)件的形狀日趨復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多為非對(duì)稱式，薄壁特征數(shù)量多、形狀多樣化，使其自身剛度下降，也是在加工過程產(chǎn)生變形的主要因素之一[19-20]。

2.3 殘余應(yīng)力的釋放和再平衡

殘余應(yīng)力是在沒有工作負(fù)載的情況下，在結(jié)構(gòu)件內(nèi)部且在整個(gè)結(jié)構(gòu)件內(nèi)保持平衡的應(yīng)力[21]。在材料的制造、處理過程中，材料局部區(qū)域的不均勻變形和相變不可避免地會(huì)在工件中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力由毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力和加工過程中產(chǎn)生的加工殘余應(yīng)力兩個(gè)主要部分組成。在毛坯的制造過程中，如鍛造、沖壓、熱處理等，由于對(duì)工件施加了外力和熱力，不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)力，初始?xì)堄鄳?yīng)力在毛坯中已處于平衡狀態(tài)[22]。初始?xì)堄鄳?yīng)力由于在毛坯制造過程中已經(jīng)產(chǎn)生，因此不受切削工況的影響[23-24]。切削殘余應(yīng)力是在切削過程中周圍材料與被加工工件產(chǎn)生的塑性變形部分之間的相互作用，產(chǎn)生切削力和切削熱的耦合，隨著材料的去除，工件內(nèi)部殘余應(yīng)力逐步得到釋放，被加工零件的內(nèi)部平衡狀態(tài)被打破，工件只有通過變形才能達(dá)到新的平衡狀態(tài)[25-26]，如圖6所示。

圖6 應(yīng)力重分布導(dǎo)致的零件變形Fig.6 Workpiece deformation caused by stress redistribution

2.4 工件裝夾條件和切削路徑

夾具是在機(jī)械制造過程中起到定位和夾緊工件并保證加工精度的一種裝置[27]。由于薄壁件剛性差，夾緊力會(huì)引起零件的塑性變形，在加工過程中出現(xiàn)局部的過切或欠切現(xiàn)象，導(dǎo)致零件的形位精度降低[28]。另外，在加工時(shí)，夾緊力會(huì)與切削力相互影響，引起加工殘余應(yīng)力與結(jié)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的重新分布，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生變形[29-30]。在切削加工過程中，因余量的去除，零件剛度逐漸減小，在切削力和切削熱的作用下，產(chǎn)生新的加工殘余應(yīng)力[31]。采用不同的切削路徑，初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放順序不同，原有殘余應(yīng)力與新生殘余應(yīng)力之間的綜合作用效果各異，致使零件各部位呈現(xiàn)不同的變形狀態(tài)[32]。

綜上可知，航空結(jié)構(gòu)件因質(zhì)量輕、綜合性能優(yōu)越等被廣泛使用。但在加工過程中，因其低剛度特性極易產(chǎn)生變形，極大影響航空結(jié)構(gòu)件的尺寸精度和裝配效率。當(dāng)材料去除率高時(shí)，無法精準(zhǔn)控制工件的加工變形和尺寸精度，易導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此，進(jìn)行航空結(jié)構(gòu)件加工變形機(jī)理的分析，有助于深入薄壁件加工變形與預(yù)測(cè)研究，對(duì)提高航空結(jié)構(gòu)件的加工精度具有重要的意義。

3 銑削力模型的研究進(jìn)展

銑削力是銑削加工過程的重要物理量之一，航空結(jié)構(gòu)件銑削加工時(shí)，作用在工件上的銑削力會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生彈性變形，因此銑削力的變化直接影響航空結(jié)構(gòu)件的加工變形量。為減少航空結(jié)構(gòu)件銑削加工過程中的加工變形，提高加工質(zhì)量，需對(duì)銑削加工過程中的銑削力進(jìn)行預(yù)測(cè)建模，從而揭示航空結(jié)構(gòu)件加工變形規(guī)律。精準(zhǔn)的銑削力模型不僅有利于優(yōu)化切削參數(shù)，而且能為預(yù)測(cè)及控制加工變形提供重要參考。由于銑削過程十分復(fù)雜，建立與實(shí)際加工及其吻合的銑削力模型較為困難。目前，根據(jù)不同的建模方法，銑削力模型主要有基于切削機(jī)理的解析模型、基于單位切削系數(shù)的力模型、基于試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀邢拊Ｐ蚚33]。

3.1 基于切削機(jī)理的解析模型

該模型是以正交切削的剪切變形理論和剪切面理論作為建模依據(jù)，通過計(jì)算切削面積、剪切應(yīng)力與剪切角等來計(jì)算銑削力的大小。Meshreki等[34]針對(duì)航空領(lǐng)域中薄壁零件的銑削力進(jìn)行建模，采用板模型來描述結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，建立了航空結(jié)構(gòu)件銑削力預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)公式，試驗(yàn)結(jié)果表明，計(jì)算時(shí)間少，預(yù)測(cè)模型誤差小于10%。周鑫等[35]針對(duì)航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的銑削力預(yù)測(cè)，提出基于特征表達(dá)工件局部形狀、尺寸和切削參數(shù)等信息，采用解析法構(gòu)建了航空框架類結(jié)構(gòu)件側(cè)銑銑削力預(yù)測(cè)模型，試驗(yàn)結(jié)果表明，該銑削力預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)平均誤差為8.73%。

3.2 基于單位切削系數(shù)的力模型

該模型認(rèn)為銑削力與銑削面積成正比，其建模過程是將刀具切削刃沿軸向離散為微元切削刃，微元切削刃所受到的力可用單位切削力系數(shù)與微元切削面積的乘積來表示，最后通過積分思想計(jì)算出總的切削力[36]。梁睿君等[37]研究了微元銑削力與瞬時(shí)未變形切削厚度之間的關(guān)系，建立圓柱銑刀的瞬時(shí)銑削力模型，在此基礎(chǔ)上，建立綜合考慮刀具與薄壁零件動(dòng)態(tài)特性的銑削加工動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與模型計(jì)算誤差＜10%。

3.3 基于試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪菍娤髁τ勉娤魃疃取⑺俣群推渌娤骷庸r(shí)不易模型化的影響因素采用系數(shù)和指數(shù)的形式來表示[38]。通過大量正交試驗(yàn)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用多元線性分析，計(jì)算出銑削力模型中的待定系數(shù)和指數(shù)，得到如下的經(jīng)驗(yàn)公式[39]：

式中，CF為修正系數(shù)；b為指數(shù)；ap為背吃刀量；v為切削速度；f為進(jìn)給速度；ae為側(cè)吃刀量；其余參數(shù)均為待定系數(shù)。

3.4 有限元模型

有限元法的主要思想是將刀具與工件分割為有限個(gè)單元進(jìn)行分析，對(duì)分割后的單元進(jìn)行求解，然后將各單元進(jìn)行組合求出整體的解。目前有限元求解方法有拉格朗日法、歐拉法以及任意拉格朗日-歐拉方法（ALE）。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，把復(fù)雜的有限元法進(jìn)行封裝，完成有限元軟件如ABAQUS、DEFORM及ANSYS等的開發(fā)，極大地方便了銑削過程建模，通過有限元軟件模擬銑削加工過程，如圖7所示[40]，建立銑削力與變形的有限元模型，為實(shí)際加工提供指導(dǎo)[40-41]。

圖7 銑削過程變形仿真[40]Fig.7 Deformation simulation of milling process[40]

綜上所述，銑削力模型已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入的研究，對(duì)提高航空結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量提供了可靠的理論依據(jù)?；谇邢鳈C(jī)理的解析模型最早應(yīng)用于描述切削過程，可以深層次地理解銑削力產(chǎn)生機(jī)理以及各參數(shù)對(duì)銑削力的影響，然而銑削過程中各因素的相互作用，使得銑削力的預(yù)測(cè)值與實(shí)際結(jié)果有較大的偏差；基于單位切削系數(shù)的力模型能夠反映切削過程的動(dòng)態(tài)特性以及切削機(jī)理，具有很高的預(yù)測(cè)精度，是目前應(yīng)用最廣泛的銑削力建模方法，基于試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)數(shù)據(jù)量要求較高，不能揭示切削的動(dòng)態(tài)特性和機(jī)理；有限元模型避免了繁瑣的微積分運(yùn)算，其有限元仿真結(jié)果能夠直觀展示銑削加工過程，但有限元模型的局限性在于對(duì)硬件的要求非常高且非常耗時(shí)，在進(jìn)行仿真時(shí)，受到材料的本構(gòu)模型、刀屑接觸模型等因素影響，對(duì)仿真結(jié)果的影響較大。

4 殘余應(yīng)力變形預(yù)測(cè)

航空結(jié)構(gòu)件在加工過程中材料去除率高，工件受到銑削力的作用，使初始?xì)堄鄳?yīng)力和加工過后新產(chǎn)生的殘余應(yīng)力為達(dá)到平衡狀態(tài)將重新分布，從而導(dǎo)致薄壁零件變形[42-43]。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為殘余應(yīng)力是導(dǎo)致加工變形的重要因素，因此研究銑削力對(duì)殘余應(yīng)力的影響并預(yù)測(cè)工件的殘余應(yīng)力變形情況[44-45]。

由于航空零件多為薄壁多框結(jié)構(gòu)件，零件的殘余應(yīng)力變形預(yù)測(cè)的解析建模難度較大，而有限元方法是目前研究殘余應(yīng)力變形的主要途徑[46]。聶廣華等[47]利用有限元仿真殘余應(yīng)力的分布情況，得出切削加工后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力主要集中在加工表面，采用微元法預(yù)測(cè)了薄壁件的最大變形量。Madariaga[48]等建立了一個(gè)有限元模型來預(yù)測(cè)工件變形量，試驗(yàn)結(jié)果得出工件在精加工時(shí)不同位置的變形對(duì)加工殘余應(yīng)力較為敏感。在進(jìn)行大型零件加工時(shí)，最終變形對(duì)加工引起的殘余應(yīng)力較為敏感，加工引起的殘余應(yīng)力對(duì)最終變形的影響取決于切削過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布相對(duì)于零件的位置。

Nervi[49]將毛坯材料初始?xì)堄鄳?yīng)力狀態(tài)考慮在內(nèi)，預(yù)測(cè)了工件的變形，結(jié)果表明，零件變形主要是加工殘余應(yīng)力造成的，而毛坯的淬火等制造工藝引入的殘余應(yīng)力對(duì)變形的影響很小。王立濤等[50]基于有限元分析方法，分析不同走刀路徑下由切削力作用而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的分布規(guī)律對(duì)變形的影響。若采用外環(huán)銑削加工模式，刀具由邊緣向中心運(yùn)動(dòng)，殘余應(yīng)力有較大的釋放空間，應(yīng)力分布均勻，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在實(shí)際加工中廣泛應(yīng)用。董輝躍[51]研究了夾具對(duì)工件殘余應(yīng)力的分布變化和變形的影響，得出夾具與支撐的對(duì)稱分布能使殘余應(yīng)力分布均勻，不出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并通過建立有限元模型對(duì)航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，比例件的變形結(jié)果與實(shí)際零件加工變形相似。Huang等[52]考慮毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力與加工殘余應(yīng)力相互耦合的作用下預(yù)測(cè)了工件的變形量，如圖8所示，對(duì)于大量去除材料的航空整體框架結(jié)構(gòu)件，初始?xì)堄鄳?yīng)力引起的變形量占總變形量的90%，而加工殘余應(yīng)力引起的變形量占總變形量的10%，但是針對(duì)特薄（1.5mm以下）零件，加工殘余應(yīng)力引起的變形占主導(dǎo)地位。

圖8 整體結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力變形曲線[52]Fig.8 Residual stress-related deformation curve of monolithic component[52]

綜上所述，現(xiàn)有研究主要集中在兩類殘余應(yīng)力變形預(yù)測(cè)問題：（1）初始?xì)堄鄳?yīng)力引起的變形；（2）加工殘余應(yīng)力引起的變形。在粗加工階段，材料去除率高，此時(shí)初始?xì)堄鄳?yīng)力釋放引起工件的變形，在半精和精加工階段，材料去除量少，初始?xì)堄鄳?yīng)力釋放對(duì)零件的變形影響可以忽略不計(jì)，加工殘余應(yīng)力引起的零件變形成為主導(dǎo)因素。

5 加工變形控制

航空結(jié)構(gòu)件加工變形是多種影響因素綜合作用下的結(jié)果。為了控制加工變形的產(chǎn)生，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)航空結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了大量的研究，針對(duì)其特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了控制航空結(jié)構(gòu)件加工變形的措施，以保證航空結(jié)構(gòu)件的高精度加工要求，主要有加工工藝優(yōu)化、數(shù)控加工補(bǔ)償技術(shù)與高速切削技術(shù)。

5.1 加工工藝優(yōu)化

加工工藝優(yōu)化控制加工變形主要針對(duì)切削路徑、切削參數(shù)和夾具3個(gè)方面。切削路徑對(duì)工件變形的影響主要有兩個(gè)方面：（1）殘余應(yīng)力對(duì)變形的影響，切削路徑不同，殘余應(yīng)力釋放順序不同，工件變形結(jié)果有所不同[32]；（2）工件剛性對(duì)變形的影響，不同的切削路徑會(huì)對(duì)零件剛性產(chǎn)生影響，從而會(huì)對(duì)變形結(jié)果有所影響。優(yōu)化切削路徑可以解決零件的殘余應(yīng)力變形和彈性變形。馬偉[33]研究不同切削路徑對(duì)薄壁工件變形量的影響，分析加工變形量與切削路徑的關(guān)系，得到薄壁多框類工件的優(yōu)選切削路徑為外環(huán)銑削加工路徑，這種走刀路徑下產(chǎn)生的加工變形量最小。丁悅等[40]針對(duì)航空結(jié)構(gòu)件建立銑削加工有限元模型，通過仿真不同的加工方式，提出先加工兩端后加工中間的變形控制策略，采用該策略進(jìn)行了工藝方案設(shè)計(jì)，通過實(shí)際加工驗(yàn)證了該變形策略的可行性。航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠針對(duì)某型超大型壁板的變形問題，在精加工階段由原來的單向走刀路徑改為往復(fù)走刀路徑，能夠很好地均勻化應(yīng)力，零件長(zhǎng)度達(dá)到19m左右的超大型壁板類零件應(yīng)用切削路徑優(yōu)化后，零件的加工變形問題得到了解決，達(dá)到設(shè)計(jì)精度的要求[53]。

切削參數(shù)優(yōu)化可以適當(dāng)降低切削力，減少航空結(jié)構(gòu)件的彈性加工變形。Li等[54]研究不同的精加工階段，采用不同的切削深度對(duì)零件加工變形的影響，發(fā)現(xiàn)隨著切削深度的增大，切削力增大，以航空薄壁件為試驗(yàn)對(duì)象，結(jié)果表明在精加工階段采用不同的切削深度（0.08mm，0.025mm，0.01mm），可以有效地降低工件的變形。Xue等[55]提出一種基于有限元與遺傳算法同步優(yōu)化切削參數(shù)的算法，目標(biāo)函數(shù)為零件最小變形量，通過試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化后的切削參數(shù)能夠有效降低零件的變形量。在切削參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)開發(fā)E-Cutting仿真優(yōu)化系統(tǒng)，加拿大的不列顛哥倫比亞大學(xué)開發(fā)Cut-Pro、Shop-Pro和MACH-pro仿真優(yōu)化系統(tǒng)，集切削力仿真、切削參數(shù)優(yōu)化等于一體，已在控制航空結(jié)構(gòu)件加工變形方面得到了成功的應(yīng)用。同時(shí)，沈陽機(jī)床有限公司針對(duì)加工工藝技術(shù)研究，建立了五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，已成功應(yīng)用在鋁合金、鈦合金等材料的航空結(jié)構(gòu)件加工中，保證了航空結(jié)構(gòu)件的加工精度，平均縮短工藝周期20%以上，充分發(fā)揮了機(jī)床的加工效率得到提升[56]。

控制航空結(jié)構(gòu)件受到銑削力作用而產(chǎn)生的變形，可以對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行過定位裝夾，間接提高薄壁部位的剛性，減少薄壁件加工產(chǎn)生的彈性變形。工件在進(jìn)行夾緊時(shí)，從剛性較高的地方開始進(jìn)行夾緊有利于降低工件加工變形[57]。董輝躍等[58]考慮裝夾位置、順序和加載方式3個(gè)因素對(duì)加工變形的影響，采用有限元分析方法模擬夾具裝夾過程中工件產(chǎn)生的變形量，對(duì)各種裝夾方案引起的彈性變形量進(jìn)行對(duì)比分析，得出較優(yōu)的裝夾方案。陸俊百等[59]針對(duì)加工變形問題，設(shè)計(jì)柔性工藝裝備，如圖9所示，通過有限元分析與遺傳算法相結(jié)合找尋最優(yōu)支撐陣列，試驗(yàn)結(jié)果表明，柔性工裝系統(tǒng)可以使樣件的加工精度提高33%，制造工期縮短24%。此外，還有真空吸盤輔助工裝與氣動(dòng)輔助工裝等。南京航空航天大學(xué)的Li等[60]設(shè)計(jì)了柔性夾具并提出一種低應(yīng)力固定方法，實(shí)現(xiàn)了航空航天類零件在低應(yīng)力狀態(tài)下的加工，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加工對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，采用低應(yīng)力加工的自適應(yīng)加工方法和柔性夾具，變形控制在0.1mm以內(nèi)，若不使用，變形高達(dá)1.08mm，成功實(shí)現(xiàn)了精密復(fù)雜的航空結(jié)構(gòu)件加工變形控制。國(guó)外先進(jìn)制造企業(yè)柔性工裝技術(shù)發(fā)展迅速，如空客公司的飛機(jī)機(jī)翼生產(chǎn)采用柔性工裝夾具，該柔性工裝系統(tǒng)可以很方便地拆卸和重組，以適用于不同型號(hào)的機(jī)翼加工，減少了傳統(tǒng)夾具的使用和人工裝夾時(shí)間，降低了工件的變形；波音公司的波音翼身整流罩等復(fù)合材料零件采用柔性工裝系統(tǒng)生產(chǎn)后，降低了生產(chǎn)成本和變形量，提高了加工效率和質(zhì)量。

圖9 柔性工裝系統(tǒng)Fig.9 Flexible tooling system

5.2 數(shù)控加工補(bǔ)償技術(shù)

提高航空結(jié)構(gòu)件加工精度的另一種方法是數(shù)控加工補(bǔ)償技術(shù)。工件受到切削力的作用會(huì)發(fā)生彈性變形，走刀后會(huì)出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，造成工件薄壁部位厚度不一，因此將刀具進(jìn)行偏擺來補(bǔ)償結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的彈性變形，以保證零件的加工精度。Rao等[61]通過對(duì)切削力進(jìn)行建模，將切削力引起的刀具偏轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的表面誤差通過刀具路徑進(jìn)行補(bǔ)償，加工試驗(yàn)結(jié)果表明，尺寸精度可以得到顯著提高。Iwabe等[62]采用一對(duì)半徑和螺旋角相同但是旋向相反的立銑刀在薄壁工件兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行加工，從而減小了加工變形。鄧耀華[63]建立了基于視覺測(cè)量的加工變形補(bǔ)償系統(tǒng)，通過模糊聚類算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立加工變形補(bǔ)償模型。Liu等[64]針對(duì)切削力引起的變形，建立動(dòng)態(tài)特征模型來計(jì)算加工過程中所產(chǎn)生的變形量，計(jì)算變形量與監(jiān)測(cè)變形量之間的誤差＜10%，能夠有效地進(jìn)行加工變形補(bǔ)償。

5.3 高速切削技術(shù)

高速切削技術(shù)也是減少結(jié)構(gòu)件加工變形的一種方法，該方向成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。采用高速切削時(shí)（主軸轉(zhuǎn)速10000r/min及以上），切削力小，因此，在加工時(shí)產(chǎn)生的彈性變形減小，易于保證零件的加工精度和尺寸精度[65]。另外，高速切削時(shí)，大部分切削熱由切屑帶走，工件溫升不高，工件的熱變形減小。陜飛公司某型機(jī)整體壁板在沒有采用高速切削技術(shù)前加工時(shí)間為9.38h，且變形部位較多。采用高速切削加工技術(shù)后，加工時(shí)長(zhǎng)縮短為4.14h，加工效率提高了127%。同時(shí)零件的變形率明顯降低，加工質(zhì)量得到顯著提高，鉗工打磨工作量減少60%左右[66]。航空工業(yè)沈飛將高速切削技術(shù)應(yīng)用在機(jī)翼壁板、滑軌等大型鋁合金零件的加工中，與常規(guī)加工相比，零件的加工工時(shí)縮短近50%，加工效率提升47%左右，且加工后的零件精度完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求[67]。因此，高速切削加工技術(shù)在航空結(jié)構(gòu)件的制造中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，不僅能提高加工效率，還能減小零件的變形量，保證零件的加工精度，節(jié)約零件的制造成本。

綜上所述，目前，國(guó)內(nèi)外在解決航空結(jié)構(gòu)件加工變形方面取得了一定的進(jìn)展，利用優(yōu)化裝夾布局來控制結(jié)構(gòu)件變形的方法能夠有效提高結(jié)構(gòu)件在加工過程中抵抗切削力變形的能力，但是夾具不可避免地對(duì)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生一定的裝夾變形，該變形控制方式對(duì)大部分以殘余應(yīng)力變形為主的結(jié)構(gòu)件來說，控制變形效果較差；利用工藝過程及參數(shù)優(yōu)化是目前應(yīng)用最廣泛的變形控制手段，但是需要根據(jù)不同的加工方式有針對(duì)性地研究和調(diào)整，才能達(dá)到最佳變形控制效果；數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)不是僅需刀具位置發(fā)生變化就能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，還需刀具姿態(tài)發(fā)生改變，若補(bǔ)償?shù)穆窂讲还饣?，則結(jié)構(gòu)件的加工精度會(huì)降低，在實(shí)際加工中應(yīng)用不廣泛；高速切削加工技術(shù)很好地控制了結(jié)構(gòu)件因受力而產(chǎn)生的彈性變形，結(jié)合工藝優(yōu)化，從而可大幅度提高航空結(jié)構(gòu)件的加工精度，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但在進(jìn)行大批量的生產(chǎn)應(yīng)用中，其相應(yīng)的設(shè)備和加工工藝需要進(jìn)一步的研究。

6 結(jié)論

（1）航空結(jié)構(gòu)件的加工變形是多因素綜合作用的結(jié)果，主要包括切削力、材料特性、結(jié)構(gòu)特性、殘余應(yīng)力等，需對(duì)不同航空結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致加工變形的關(guān)鍵因素，有針對(duì)地采取控制措施。

（2）航空結(jié)構(gòu)件的加工變形預(yù)測(cè)是實(shí)現(xiàn)變形控制的重要前提。利用有限元模擬仿真預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力變形，需要對(duì)三維殘余應(yīng)力場(chǎng)的加工過程摩擦模型、材料模型和熱傳導(dǎo)模型等進(jìn)行深入研究。

（3）航空結(jié)構(gòu)件的加工變形控制需要給予深入的研究。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在加工工藝優(yōu)化、數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)和高速切削技術(shù)等方面已經(jīng)取得若干成果，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定的局限性。未來控制航空結(jié)構(gòu)件加工變形應(yīng)從動(dòng)力學(xué)建模、工況感知、實(shí)時(shí)變形控制3個(gè)方面開展研究。

a.建立適用于時(shí)變工況條件下的薄壁工件-刀具系統(tǒng)和薄壁工件-夾具系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型?，F(xiàn)有的切削參數(shù)優(yōu)化和裝夾布局優(yōu)化研究大多將工件-刀具系統(tǒng)和工件-夾具系統(tǒng)視為靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的，但材料的去除、刀具磨損狀態(tài)、結(jié)構(gòu)件剛度等時(shí)變因素會(huì)導(dǎo)致切削加工不穩(wěn)定，造成結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生加工變形。因此，在工件-刀具系統(tǒng)和工件-夾具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模時(shí)需要考慮時(shí)變工況因素。

b.綜合考慮變形預(yù)測(cè)模型和在線監(jiān)測(cè)信號(hào)的快速特征提取與識(shí)別，開發(fā)在線加工工況智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力的控制策略，使其能夠驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速發(fā)現(xiàn)和消除切削過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定的工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工變形的控制。

c.將變形在線監(jiān)測(cè)與控制集成到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，從而真正實(shí)現(xiàn)在不同切削工況條件下對(duì)航空結(jié)構(gòu)件加工變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。