航空整體結構件加工技術

   時間:2014-03-11 13:52:22
航空整體結構件加工技術簡介
      隨著航空領域競爭的愈益激烈,對飛機性能提出了更高的要求。就現代飛機結構設計的特點是重量輕、結構強度高,降低飛機的自身結構重量,就意味著提高……
航空整體結構件加工技術正文
隨著航空領域競爭的愈益激烈,對飛機性能提出了更高的要求。就現代飛機結構設計的特點是重量輕、結構強度高,降低飛機的自身結構重量,就意味著提高了飛機的機動性、增強了攜帶負載的能力,並能獲得更遠的飛行距離;而且,隨著重量的降低、結構強度的提高,還可以延長飛機的服役壽命。為此,在飛機結構設計和製造中,一些大型複雜結構零件,尤其是主承力結構件(如飛機大梁、隔框、壁板等)普遍採用了整體化結構設計。整體結構不但可以減少零件數目,降低結構重量,而且使飛機的結構效率和可靠性成倍甚至數十倍地提高,可以說整體結構件在現代飛機上的應用是製造技術的一大進步[1]。然而,在整體結構件的數控加工過程中,常由於毛坯的初始應力、結構的不對稱性及加工工藝的不盡完善等原因導致工件彎曲、扭曲以及彎扭組合等加工變形;薄壁結構還會產生失穩現象,嚴重影響了航空整體結構零件的生產效率和最終產品精度。

同時,隨著材料科學與製造技術的發展,在航空整體結構件中越來越廣泛地採用許多新型難加工材料,如鈦合金、鎳基合金以及超耐熱合金等,這些材料具有強度和硬度高、塑性和韌性好、導熱性差、存在微觀硬質點、化學性質活潑等特性,在切削加工過程中刀具所受的切削力和切削熱明顯升高,導致了嚴重的加工矛盾,使其成為典型的難加工材料,嚴重製約著加工效率和產品質量的提高。航空整體結構零件的加工精度和加工效率是制約現有先進機型批量化生產和新機型研發進度的瓶頸,特別是大飛機的研發,使得這一關鍵工藝問題顯得尤為突出。
航空整體結構件的加工製造是一個系統工程,機床、刀具、裝夾和工藝等都是這個系統中的關鍵技術環節。這中間的任何一環都將影響產品的加工質量。本文以航空整體結構件為研究對象,在分析各個加工關鍵技術的研究現狀、存在問題和發展趨勢的基礎上,提出了相應的解決策略和可行的技術方法,力求為實現航空整體結構件的高效、高精度加工提供理論依據。
大型結構件加工對機床功能的需求
航空鈦合金等難加工材料加工過程中切削力大、切削溫度高,容易產生振動,因此在航空整體結構件加工製造中,要求機床具備高剛度、大功率和大扭矩的特性,同時具備更好的抗振能力。機床的主軸在加工過程中直接支持工件或刀具的運動,主軸的性能對工件的加工質量和機床生產效率均有重要影響,提高主軸剛度將是保證機床加工航空整體結構件精度的重要環節之一。機床的導軌和支撐件的聯接部件,對工件加工質量和機床加工特性影響也很大,聯接部件往往是局部剛度最弱的部分,聯接方式對其剛度影響很大,如果導軌的尺寸較寬時,應用雙壁聯接型式,導軌較窄時,可用單壁或加厚的單壁聯接,或者在單壁上增加垂直筋條以提高局部剛度[2]。
目前高剛度、大功率和大扭矩特性的機床設計和開發,主要採用優化設計方法和有限元模擬分析方法。優化設計是優化理論在機械設計領域的移植和應用,其基本思想是根據機械設計的理論、方法和標準規範等建立一個反映工程設計問題和符合數學規劃要求的數學模型, 然後利用數學規劃方法和計算機計算技術自動找出設計問題的最優方案[3]。
基於物理模擬的有限元方法是近幾年來研究系統結構動力特性的有效手段,通過機床加工動態過程有限元分析能夠預先觀察機床的承力性能以及主軸部位載荷和應力的變化情況,從而可以利用有限元分析結果對機床動態特性進行優化設計。在有限元分析中可用「粘合」方式來模擬機床零部件之間的固接關係,動平台與擋板之間的接觸是滑動接觸,並用油進行潤滑,其滑動摩擦係數相對較小,可近似視為無摩擦滑動,在分析中可用「無摩擦接觸」方式來模擬這種連接關係。對於主軸承載情況,可通過對主軸、刀具、工件施加位移、速度等邊界條件,構建真實的主軸、刀具、工件作用過程[4]。通過對機床不同部位的動態特性進行有限元模擬分析,對機床各個系統結構進行優化設計,最終開發出能夠高效加工航空整體結構件的的機床系統。
隨著許多新型航空材料的應用和航空整體結構件的幾何形狀及結構不斷改進更新,對加工此類零件的機床特性要求更高,除剛度、功率和扭矩等特性外,還需要對機床的機械部分、冷卻系統、工作空間以及機床聯動性等進一步設計,開發適合航空整體結構件結構特點和材料特性的數控加工機床,實現航空整體結構件的高效高精度加工。
高性能切削刀具設計
針對航空整體結構件加工的刀具設計主要是開發專用高性能精密刀具,開發低切削力、低振動新型高速高效切削刀具,提高航空整體結構件的加工技術水平。所涉及的關鍵技術主要包括刀具材料開發、刀具塗層技術、刀具結構優化設計以及刀具製造工藝等。
1 刀具材料開發
難加工材料在航空整體結構件中的應用對刀具材料提出了新的挑戰,這些材料具有較特殊的物理力學和機械性能,要求刀具材料在開發時應具有更高的抗衝擊韌性、紅硬性和耐磨性能,以提高刀具的可靠性和延長刀具的使用壽命。到目前為止,針對航空整體結構件的切削加工,國內外科研機構和刀具生產商已經開發了許多新型高效刀具材料,如針對航空鋁合金結構件加工開發的高性能高速鋼、金剛石和人造聚晶金剛石,針對鈦合金結構件加工開發的超細微粒硬質合金、立方氮化硼(CBN)和聚晶立方氮化硼(PCBN),針對複合材料結構件加工開發的立方氮化硼和聚晶金剛石刀具等超硬刀具材料[5]。
在研發刀具材料時,不但要關注提高其某幾項性能的絕對值,而且還要了解切削時刀具材料與航空材料的相互作用以及某一項性能的相對值。例如,刀具材料與航空材料的化學相互作用要小,要有足夠的相對硬度(包括高溫硬度)、相對韌性和相對強度;除此之外,還必須達到刀具材料與航空零件材料之間在物理、化學、力學性能等方面的合理匹配,滿足切削性能穩定可靠、加工效率高、加工精度高、經濟效益好和有利於環境保護的要求。
在刀具材料開發方法方面,除了按常規設計方法外,山東大學提出以切削加工可靠性為優化目標,採用基於切削可靠性、融合刀具切削理論和刀具材料設計開發於一體的刀具開發研究新體系,並在開發系列陶瓷刀具中進行了應用。
2 刀具塗層技術
鈦合金等航空整體結構件可切削加工性很差,單純用刀具基體材料進行切削已難以達到加工要求,在刀具基體上施加塗層,進行塗層刀具的設計和開發,將是解決航空難加工材料整體結構件加工矛盾的有效途徑。實踐證明,塗層刀具將使航空難加工材料的加工效率和加工質量大大提高。
目前,針對航空難加工材料的加工,材料科學家和國內外各個刀具生產廠家已開發出多種類型的塗層刀具。山高刀具公司針對航空不鏽鋼難加工材料,開發出 Duratomic塗層,使 刀具的耐磨性和韌性提高 80%;三菱株式會社開發出切削淬硬鋼用的超級塗層硬質合金刀片 UE6110,它在車刀的前刀面與后刀面分別塗不同的塗層,在前刀面上塗有抑制結晶生長的T i CN與Al2O3構成的納米結構塗層,可獲得現極高的韌性,在後刀面上塗黑色超平滑塗層,可以確保磨損的穩定性;山特維克可樂滿公司在開發塗層刀具中採用了無應力塗層技術,該技術形成的刀具強度遠遠超過標準CAD塗層方法產生的刀具刃口強度;伊斯卡公司展出了新一代塗層:α-IC9150、α-IC9250、α-IC9350和 α-I C4100 從塗層工藝和塗膜厚度上對原C VD進行了提升,採用的MTCVD(中溫化學塗層)以較低的工藝溫度和較快的沉積速率實現塗層與基體分界面上的脆性η相最少,同時減少了在高溫CAD塗層中常見的因高溫導致的拉伸裂紋;另外,三菱還開發了CVD塗層US905,由強韌纖維狀TiCN、微粒Al2O3、TiN三層組成,塗覆在專用硬質合金基體上,膜層硬度達HRA92.2, 在切削經時效處理的Inconel 718 時隔熱效果好,耐高溫,在高的切削速度下也能夠保證切削穩定[6-7]。
塗層技術在現代刀具生產中的重要作用無疑已被公認,但當前刀具塗層技術存在塗層易剝落、工藝複雜昂貴等缺點,更重要的是關於塗層的性能、塗層是如何應用到特定領城或如何彌補刀具外形的不足以提高刀具的切削性能等方面仍存在疑問,有待進一步深入探索和分析。
3 刀具結構優化設計
刀具材料和塗層技術的發展為提高航空難加工材料切削效率打下了基礎,但是只有通過先進的刀具結構才能充分發揮刀具材料和塗層的優勢,提高刀具的整體切削性能。
目前,針對航空難加工材料加工的切削刀具結構設計主要包括兩方面:一方面是刀具宏觀外形結構優化設計,另一方面是刀具微觀結構優化設計。在刀具宏觀外形結構優化設計方面,許多科研機構和刀具生產廠家已經取得了豐碩的研究成果,如結構新穎的鋁合金高速加工面銑刀和立銑刀;多功能、多盤、多工位可變角、快換微調的機夾梅花刀;用於車削的高效刮光刀片;形狀複雜的帶前角銑刀刀片,球頭立銑刀刀片,防甩飛的高速銑刀刀片。此外,一些創新的刀具結構還可產生新的切削效果,如不等螺旋角立銑刀與標準立銑刀相比可有效遏制刀具的振動,降低加工表面粗糙度值,增大刀具的切削深度和進給速度;硬質合金絲錐及硬質合金螺紋銑刀的開發將螺紋加工效率提高到高速切削的水平,尤其是硬質合金螺紋銑刀,不僅加工效率高,而且通用性好;在防振型多功能銑刀的設計中採用了獨特的 4 刃槽型截面和具有防振功能的外刃,能有效降低加工中的振幅,特別適用於剛性較弱的航空薄壁結構件加工[8-9]。
在刀具微觀結構優化設計方面,目前研究較少,這方面的研發主要包括減振韌帶、刃口強化和鈍化結構及其參數設計等。國外研究者對刀具微觀結構設計較為重視,Shintani等人[10]研究了採用CB N刀具切削淬硬鋼時刀具刃口形狀對切削力、熱等切削物理量的影響規律;Jeffrey等人[11]研究了切削刀具刃口鈍化對加工表面粗糙度的影響情況;JiangHua等人[12]研究了多種刀具刃口形狀(銳刃、圓弧刃、倒刃等)對車削殘餘應力的影響情況,得出採用圓弧刃和倒刃刀具將使加工表面殘餘應力更加複雜,應力影響域更大。此外,美國的Conicity Technologies公司對刀具刃口鈍化結構、幾何參數以及鈍化方法等方面進行了長期的研究並取得了大量的研究成果。國內研究者在刀具微觀結構與幾何參數設計方面起步較晚,研究也少,成都工具研究所和刀具行業的專家桂育鵬在這方面開展了工作。
航空整體結構件材料硬度高,零件形狀複雜,在刀具結構方面不斷進行改進和創新設計,將是高效高精度加工該類零件的重要環節。其中,刀具刃口部分的微觀結構設計是影響加工效率和刀具壽命的關鍵因素之一。今後,刀具微觀結構及其參數優化設計將是進一步深入研究的重點課題。
4 刀具製造工藝
航空鋁合金、鈦合金、高溫合金、耐熱合金鋼以及複合材料等材料品種牌號很多,性能差異極大。針對這些航空材料結構件的加工,當前除了在刀具材料、塗層技術、刀具結構優化設計等方面開展研究外,還要對製造工藝進行深入研究,如刀具鈍化工藝遠落後於其他刀具製造工藝,使刀具在磨損階段產生的微裂紋、裂縫等不能很好地消除,以至於後期刀具磨損較快。另外,開發刀具設計與製造軟體系統也是一個重要的研究內容,國外已出現針對刀具製造工藝的參數化設計、製造軟體系統,而國內在該方面差距較大,尚未開發出專用的刀具輔助設計與製造軟體系統。
航空整體結構件加工過程中的裝夾布局優化技術
航空整體結構件大多為表面由數個槽腔和孔組成的雙面結構設計,機械加工時裝夾困難,易產生加工變形,表面加工質量很難控制。在實際裝夾時應考慮滿足翻面加工時能提供較好的定位和支撐、較薄的結構能提供輔助支撐、外輪廓加工時能連續進行切削等要求。從壓緊調整、結構調整、定位調整幾個方面考慮,航空製造業普遍採用的裝夾方式有機械、液壓可調夾具、真空吸附裝夾等幾種。
目前,國內航空結構件的裝夾存在憑經驗來確定裝夾力大小、位置及作用順序,沒有考慮高速切削熱力耦合對工件變形的影響等問題,很難保證工件的加工精度,並給加工后的工件校形帶來很大的困難。夾緊力是影響航空整體結構件變形的重要因素之一,隨著對航空整體結構件加工精度要求的提高,裝夾布局優化研究逐漸受到重視。
文獻[13]研究了航空結構件裝夾布局中的裝夾部位、裝夾順序,對於這些因素對結構件加工變形的影響進行了定量和定性分析,並結合有限元模擬分析進行了方案優選;文獻[14]敘述了拉伸裝夾方式對航空框類零件加工變形的影響,從控制薄壁件加工變形的角度出發,對拉伸裝夾方案進行了優化;文獻[15]以減少加工中工件最大彈性變形為目標,敘述了建立弧形件銑削加工裝夾布局的優化模型,基於有限元方法對薄壁弧形件裝夾布局進行了優化;文獻[16]針對航空框類結構件,敘述了建立結構件加工變形有限元分析模型,以及預測加工過程中和夾具釋放后結構件的變形,並採用基於遺傳演算法的夾緊點位置及夾緊點數目遞推優化的方法,對航空整體結構件進行裝夾布局優化;Yan Wang[17]建立了參數化有限元模擬分析模型,從控制薄壁結構件加工變形的角度,對裝夾方案進行了優選研究;K.Kulankara[18]結合理論和實驗研究,採用遺傳演算法對裝夾布局和夾緊力進行了優化。
儘管以上研究在裝夾位置、裝夾元件數目、裝夾順序以及裝夾布局方面進行了深入的研究,但是主要集中在結構件局部裝夾系統的研究方面,而對隨刀具加工路徑移動的動態裝夾系統很少涉及。整體結構件的加工變形是多方面影響因素導致的,是動態的變形過程,特別對於弱剛度薄壁結構件來說是如此,因此,今後需要進一步開展跟蹤刀具加工路徑的動態柔性裝夾系統的布局優化研究,同時,在試驗研究的基礎上,採用有限元方法對整個複雜裝夾系統進行模擬分析將是優化裝夾布局的一個有效方法。
航空整體結構件數控加工變形預測與控制技術
1 航空整體結構件數控加工變形預測
航空整體結構件尺寸大(可大至數米甚至二三十米),結構複雜,形狀精度要求很高,其外形多數與飛機的氣動外形有關,周邊輪廓與其他零件還有複雜的裝配協調關係。在採用薄蒙皮和鉚接骨架的分散結構情況下,與飛機承力骨架貼合的是剛性很差的薄蒙皮。骨架和蒙皮的配合允許有較大容差,如某類殲擊機為±0.25mm,在裝配應力不是很大的情況下,可以裝配出合格的產品。但是,相對於骨架和蒙皮均為大厚度的整體結構來講,同樣的裝配間隙就會產生很大的裝配應力,從而產生應力腐蝕,導致飛機強度和壽命的降低,因此,必須成倍地提高結構件的加工精度才能滿足裝配要求。然而,由於整體結構件具有面積大和結構與壁厚變化複雜等特點,在零件加工過程中很容易發生或彎或扭或彎扭組合的變形,加工精度得不到保證。
目前,國內航空結構零件加工製造原則性工藝是:粗加工(一般數控切削)+ 精加工(高速數控切削)和分步高速切削加工。對於結構件中存在的加工變形問題,主要從幾何補償角度進行了一些研究,通過數控補償來修正一部分零件的加工變形。事實上,根據設計工藝加工出的工件,一般來說,只要這個零件不離開機床,即處於正常裝夾狀態下,其尺寸精度基本上都會符合設計要求。但是,一旦卸掉裝夾,讓工件自由停放一段時間后工件就會產生新的變形。很明顯,這種幾何修正操作往往需要分步進行多次,穩定性差,而且多次修正要以犧牲(放大)加工余量為代價,導致加工效率大大降低。因此,可以說幾何修正只是工廠處理加工變形問題的一種權宜的措施,不是解決大型結構件加工精度控制問題的根本有效方法。
整體結構件的數控加工變形是航空製造業面對的最突出問題之一,因此,對數控加工變形進行預測並加以控制對實現航空整體結構件的高精度加工具有重要的意義和工程價值。
針對航空結構件的加工變形問題,國內外學者採用數值模擬技術開展了關於精度保障的研究。在薄壁件的彈性變形或靜態表面誤差預測方面,國內外學者主要在幾何模擬方面展開了系列研究,國內有南京航空航天大學、北京航空航天大學和西北工業大學的相關研究者[19-21],國外有Ratchev、Nikov等[22-23]。
零件切削加工幾何模擬的主要思想是:按是否考慮刀具、工件變形以及工件剛度變化對切削力的影響,分別採用剛性預測模型和柔性預測模型,進而研究薄壁件的彈性變形或靜態表面誤差。採用剛性預測模型時,直接採用名義銑削深度、銑削寬度和每齒進給量預測彈性變形和表面誤差,不考慮材料去除引起的工件剛度變化對變形計算的影響;採用柔性預測模型時,綜合考慮刀具、工件變形以及材料去除引起工件剛度變化對加工變形的影響和耦合效應。這種方法的切削力是作為已知量施加到模型當中的。然而切削力是刀具和工件材料相互物理作用的結果,因為這種結果的存在才導致薄壁件的變形。雖然文獻中施加的切削力是隨著刀刃的切入長度變化的,但是將切削力通過邊界條件施加到單元節點的過程是一個靜態過程,而切削實際是一個動態的熱-力耦合過程,材料在該過程中產生較大的塑性變形,伴隨著高溫和高應變率的發生,上述方法是無法模擬這一物理過程的。
在結構件整體變形預測研究方面,美國有限元軟體公司MSC對結構件整體加工變形進行了初步研究,並在其開發的商業有限元軟體 Marc中首次集成了該項研究成果,但是他們主要考慮了毛坯內初始應力對零件整體變形的影響,通過讀取CAM系統生成的APT/CL數據來指引單元去除的前進方向,所考慮的零件整體尺寸也較小;AstromP[24]採用單元生死技術研究了零件在初始內應力作用下的整體變形,刀軌路徑通過參數方程給定,零件整體尺寸也較小;國內武凱等人採用數值模擬技術研究了薄壁腹板、側壁加工變形規律,指出大切深法以及分步環切法可以充分利用薄壁件自身的剛性,減小加工變形,提高加工精度;王志剛等人分析了薄壁零件的加工變形,其分析過程假設材料始終處於彈性範圍,數值模擬時考慮了切削力作用下側壁的彈性變形,但沒有考慮初始殘餘應力和切削熱對變形影響;王運巧、梅中義等人採用數值模擬技術分析了弧形結構件的加工變形,分析過程考慮了工件初始殘餘應力、切削力、裝夾等因素;尹桂萍等人採用數值模擬技術分析了數控加工中弧形件的變形,在分析初始階段沒有考慮切削熱、材料初始內應力等的影響;王兆峻等人研究了薄壁零件的整體加工變形,引起變形的因素主要考慮毛坯初始殘餘應力的影響而沒有考慮切削載荷的影響[25-27];浙江大學在國內率先採用有限元方法,開展了航空整體結構件加工過程的物理建模和模擬研究,對毛坯初始殘餘應力、材料本構模型、航空整體結構件加工過程變形預測、加工變形校正等方面進行了深入研究[28-31]。
2 航空整體結構件數控加工變形控制
為了對航空整體結構件的加工變形進行控制,需要認知結構件的加工變形規律和準確預測加工變形量,在工藝規程的制定及數控加工程序的編製過程中採取相應的工藝措施,對整體結構件加工工藝進行優化,從根本上提高航空整體結構件的加工精度。
在整體結構件數控加工過程中,刀具參數、切削參數、加工方式以及加工路線等都會對工件的加工精度會產生影響。但目前在工藝規程制定中由於沒有變形控制的科學理論和方法指導,工藝人員只能憑經驗和試驗來獲取比較合理的製造工藝路線,帶有很大的主觀性。對工件的加工變形情況無法事先預測,變形控制方案的確定不是建立在科學計算的基礎上,帶有很大的主觀性和隨機性,因此需要結合大量試驗和計算機數值模擬,通過對加工參數、工藝等進行優化,對整體結構件的數控加工變形進行控制。基於工程計算可視化技術,形象、直觀顯示模擬得到的工件內部殘餘應力和變形,將整體結構件按照其結構特點進行分類,對不同類型的工件採用不同的加工工藝方案,考慮走刀路徑、裝夾方案、一定類型工件不同部位的加工順序等因素,以加工變形最小為目標函數進行工藝方案優化,獲得優化的不同類型整體結構件數控加工指導性工藝原則。
儘管採用有限元方法能夠對航空整體結構件加工變形進行預測,並能夠在模擬分析的基礎上開展加工工藝優化研究,輔助制定控制加工變形的最佳工藝規程,但是,由於航空整體零件結構複雜多樣,材料可加工性差,同時切削加工本身是一個複雜的動態非線性和強熱力耦合過程,因此,對航空整體結構件加工過程的有限元模擬分析還不能同實際加工情況完全一致,許多建模環節如材料彈塑性本構模型、切削摩擦模型、材料斷裂準則等還有待深入研究,另外,實際加工中的機床振動、刀具磨損等現象也應該加以考慮。今後,隨著切削加工過程物理建模環節的完善和計算機數值模擬技術的發展,有限元模擬實際加工過程的精度將會得到較大的提高,使有限元模擬分析對實際生產的指導進入應用階段。
結束語
(1)航空鈦合金等難加工材料在加工過程中產生較大的切削力,並且容易產生振動,為實現難加工材料航空整體結構件的高精度加工,需要開發高剛度、大功率和大扭矩特性的機床。
(2)針對航空整體結構件材料的物理力學特性,需要設計和開發專用高性能精密刀具,其中刀具材料開發、刀具塗層技術、刀具結構優化設計以及刀具製造工藝是高性能刀具設計的關鍵技術環節。
(3)夾緊力是影響航空整體結構件變形的重要因素之一,裝夾布局優化是實現航空整體結構件高精度加工的重要工藝環節。今後,需要進一步開展跟蹤刀具加工路徑的動態柔性裝夾系統的布局優化研究。
(4)加工變形預測與控制是航空整體結構件製造工藝研究的關鍵問題之一。利用有限元模擬技術研究和解決整體結構件數控加工變形問題已成為當前研究工作的熱點。在利用有限元模擬方法對加工變形進行預測的基礎上,結合刀具參數、切削參數、加工方式以及加工路線進行工藝參數優化,實現航空整體結構件加工變形的有效控制是一個重要研究課題。
參考文獻(略)

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