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如今在航空这个领域里面, 去制造那些飞机的零部件, 这是一件非常艰难并且很重要的技术手段。因为这些零部件不仅外形很复杂, 使用的材质也很多种多样, 而且对其能够做出来的精确程度还有整体质量方面, 都有着特别严格的标准和规定。
它们是用来确保飞机能够在天空中安全地飞行, 并且在运行过程中保持高性能状态的重要东西, 所以, 加工这些零部件的技术水平高不高, 会直接决定整个航空工业能够达到一个什么样的发展高度。
一、航空结构件的特点与加工难点
航空结构件这一事物的特征是非常鲜明的。先来说一说材料的复杂性这个方面。平常能见到的材料有钛合金这些材料。还有复合材料也是常见的。高合金钢也包含在内。这些东西拥有高强度这么个特性。它们还具备高硬度这种特点。
耐高温这样的能力它们也有。拿钛合金这个东西当作例子来看的话。它的强度是能够达到很高的程度的。具体数值方面原文写的是高达 以上。它的硬度要超过普通钢材很多。可是。因为这些优点的存在。所以想让切削加工变得容易是非常困难的。
在进行切削操作的时候, 刀具磨损的速度是非常快的, 相关的统计数据显示出来的情况是, 当加工钛合金材料的时候, 刀具的磨损速度要比加工普通钢材材料的磨损速度快出 5 到 10 倍的幅度范围, 而且与此同时发生的状况是, 切削温度的数值是可以达到超过 1000℃的高温度的, 这种状况不仅会对所使用的刀具材料所具备的耐热性提出非常高的标准要求的, 并且也是比较容易导致已经被加工的零件的表面位置产生热损伤这种情况出现的。
另外, 这个结构的复杂性, 它算是一个蛮大的挑战。航空结构件里面, 往往会有各种各样的型腔、薄的壁厚、深的槽, 这样的结构存在。它的尺寸很大, 而且形状是不规则的。就拿那个大型机身蒙皮来做例子, 这个面积, 可以达到十几平方米那么多个数, 可是厚度, 仅仅只有几毫米。
所以在加工这个过程里, 特别容易生出变形。有那个不完全的统计, 说是因为这个加工变形所导致的航空结构件, 报废率, 大概高到百分之十左右。这个情况, 给企业带来了非常巨大的经济损失。。
再者, 精度要求可以说是达到了极高的水平。航空结构件不光要满足非常严格的形位精度要求, 这个要求通常是在微米这个级别上面,而且还需要具备良好的表面质量以及可靠性。
就拿起落架来举个具体的例子, 它形位公差的这种要求通常在零点零五毫米以内, 表面粗糙度的要求也得达到 Ra0.8 以下。要是出现任何微小的误差, 都有可能对飞机的飞行安全还有性能造成不好的影响, 对?
二、航空薄壁结构件加工变形的控制
薄壁结构件这个物件, 它在使用当中, 是属于航空制造那个行业里的一个重要部分, 可是, 关于它那加工会变形的一个问题, 却一直都是在那儿, 一直在困扰着这个行业。
从变形的机理这一角度来进行考虑的话, 主要包括了以下几个方面的内容。材料毛坯的初始残余应力是一个比较重要的因素。因为当对材料进行制造的时候, 由于冷却方面不够均匀或者是进行了不恰当的热处理操作, 所以在毛坯当中会残留有一定程度的应力状况。
这些原本存在的应力情况在接下来实施切削加工过程的时候会发生重新分布的行为, 进而导致零件出现形变的结果。以铝合金这种材料为例来说, 在其生产制造的过程之中所形成的初始残余应力的数值规模是可以达到 以上的水平情况的。
切削力的作用同样是不能够被忽视掉的。在加工过程里面, 切削力会直接作用在工件上面, 这就会导致局部区域出现变形现象。尤其是那些薄壁结构件, 因为它们的刚性是比较差的, 所以切削力容易引发整体上的变形情况。针对薄壁结构件而言, 由切削力所导致的变形量是完全可以达到0.1mm以上的数值的。
切削热对加工过程所产生的影响也是不能忽视的, 在切削操作进行的时候会产生热量, 这种热量会让材料的局部位置发生膨胀现象, 当温度降低之后材料就会随之收缩, 这一种因为温度变化而导致的大小伸缩的变化效应会使得材料内部的应力状况重新发生变化, 从而产生出残余应力, 这些残余应力的存在会导致零件出现变形的问题, 根据相关的计算结果显示, 由切削热所引起的温度波动的幅度是非常高的, 数值可以达到 500℃ 之多。
导致变形的情况, 原因有很多。从材料的性质来讲, 各种材料之间, 热膨胀系数不一样, 弹性模量不同, 热导率也差別很大。就拿具体的数字来说, 铝合金的热膨胀系数, 大概是在每摄氏度23乘以10的负6次方这样的大小。
相比之下, 钛合金的热膨胀系数, 只是每摄氏度8.6乘以10的负6次方。因为存在这样的差距, 所以在进行加工的时候, 要是产生了切削热, 铝合金就比较容易发生变形。
结构的形状以及它的尺寸, 会直接对变形产生影响。当薄壁结构件的壁厚变得更薄的时候, 如果此时结构又显得比较复杂, 那么在加工的过程之中, 就很容易产生变形的现象。就举个例子来说吧, 那些壁厚为 1mm 的薄壁件, 和那些壁厚为 3mm 的薄壁件相比之下, 变形量有可能增加超过 50%。
加工参数的选择是非常关键的, 切削速度、进给量以及切削深度这些加工参数会直接对切削力和切削热产生影响, 这样的话就会导致变形程度发生变化, 如果选择了不合适的加工参数, 变形量可能会增加大约30%。
装夹方式的合理性对于变形控制这件事来说, 更是关键的所在, 过于紧固或者过于松弛的装夹行为, 都是会影响零件变形的出现的, 要是装夹力分布不均匀的话, 是有可能导致零件局部产生的变形量大超过0.05mm的情况发生的。
为了有效地把变形的问题控制住, 航空制造业那边采取了好多措施。优化材料选择还有预处理算是基础工作。
挑选那些变形不大、稳定性也特别好的材料, 再加上一些合理的预处理工艺, 像是进行去应力退火这样的操作, 就可以减少材料里面一开始就有的残余应力。打个比方说吧, 要是零件经过了去应力退火的处理, 它里面的残余应力大概能降低 70%左右。
优化加工参数是关键所在。要通过大量试验来确定最佳切削速度进给量和切削深度, 以此来减少切削力和切削热的影响。
比如说在加工铝合金时, 可以把切削速度从 100m/min 提高至 200m/min, 与此同时适当降低进给量和切削深度, 这样表面粗糙度就可从 Ra3.2 降低至 Ra1.6, 同时变形量也可显著减小。
利用先进的切削工具以及技术, 这是属于一个重要手段的情况。通过采用高性能的刀具和包括高速加工还有冷却润滑技术等在内的先进加工技术, 可以把切削力还有切削热都大幅度地减少下来。
拿使用高精度的金刚石刀具来进行超精密加工这种例子来说, 其表面质量是可以达到 Ra0.2 这个数值以下的, 而尺寸精度更是能够控制在 ±0.01mm 之内的范围中。在加工钛合金薄壁零件的时候, 采用超声振动切削技术的这种做法, 可以让零件因为加工带来的变形量, 减少到超过了百分之五十的幅度以上。
合理的装夹方式是重要保障, 我们要去设计那种合理的装夹方案, 并且去避免过度紧固或者松弛的情况发生。可以试着采用多点支撑以及均匀夹紧的这些方法来进行操作, 从而确保工件在加工过程中受力保持均匀, 进而减少变形的现象出现。
在加工某航空发动机薄壁环形机匣的时候, 通过设计专门的工装夹具, 采用多点分布式装夹的方式, 并且合理控制夹紧力的大小和分布, 这样做避免了机匣在装夹过程中产生过大的附加应力, 从而减少了加工后的变形。
分步进行加工并且执行回火处理这属于那些有效的办法。对于会发生比较大程度变形的那些零件, 人们可以采用分步来加工的这种方法, 在每个环节里只去除掉数量比较少的材料, 并且在每一次完成加工动作之后去进行回火处理, 以此来把残余的内应力给消除掉。
举一个具体的例子来说, 针对某一个大型的薄壁结构件, 如果通过采用分步加工以及回火处理这种方式, 那么最终所出现的变形量就可以控制在规定在设计阶段的要求范围内的 0.1mm 这样的数值以内。
数控加工这一技术的应用, 还有在线监测以及实时补偿这些技术, 都给变形控制方面提供了很强的支持。人们会利用比较先进的数控加工设备, 配合专门的软件去进行仿真工作和优化工作, 从而达到预测加工过程中会出现的变形状况, 并且控制这种变形的目的。
比如说, 大家可以采用有限元分析方法这种做法, 去模拟在具体的加工过程里应力是怎么分布的, 变形又是在哪些地方发生的, 这样就可以提前去采取一些有效的控制措施了。
同时, 利用传感器和监测系统, 实时获取加工过程中的变形数据, 并且通过数控系统来实现实时的补偿, 在某个复杂薄壁结构件的加工当中, 借助在线监测以及实时补偿这一项技术, 能够把加工过程中产生的变形数据进行实时的获取, 然后基于数据的反馈来及时调整加工的参数。
优化刀具.path的路径, 这件事同样是非常非常重要的。我们要是能够通过合理规划刀具的走刀路径的话, 就可以使得切削力和切削热分布得比较均匀一些, 从而减少局部变形的问题。
比如说, 我们可以采用环切方式或者螺旋走刀方式来实现这一目的。当我们要加工薄壁环形零件的时候, 如果我们采用环切走刀这种方式的话, 那么就能非常有效地避免局部变形这种不好的情况出现。
三、钛合金航空结构件的加工关键技术
1、工装装夹技术
对于钛合金的零件而言, 在装夹方面是有着相当严格的要求的。当处于粗加工阶段的时辰, 夹紧力需要设置得大一些, 其目的就是为了防止零件发生松动。而当进入精加工阶段时分, 夹紧力则需要变小些, 以防出现因为装夹而产生的变形情况。
另外, 夹紧力应该被作用在那些刚性本来就比较好的地方上。同时, 施力的点应当要多一些才好。特别是遇到薄壁结构方面的零件时, 应当去增加一些辅助性的装置。这样做是为了提高整个加工工艺系统的刚性水平, 这样做的意思就是让系统在加工的时候能够更稳固一些。
在外国, 大家在这方面特别爱用那些自动化水平高、专门用的夹具。比如, 会用到那种可以用液压来调整工装的器具。这种器具很神奇, 当切割零件外部轮廓的刀头快要碰到压紧的时候, 压板它会自己让开。等刀具切削完之后, 压板马上就回到原来的地方, 把零件紧紧压住。
还有一些公司, 他们比较讲究, 直接用和被加工零件一样的材料来做夹具和压板。这样在安装夹紧零件的时候, 夹具和零件就变成一体了。所以在后面切削的过程中, 根本就不用去管避让这些事情, 也不用担心工具会和压板撞车。正因为这样处理起来很简单, 所以加工的速度和质量都有了非常明显的提高。
相比之下, 国内在针对钛合金航空结构件数控加工过程中的工装夹具这块领域, 缺少比较深入的研究和开发工作, 更多的时候还是采用简单的机械装夹方式。这种简单的机械装夹方式会受到人为因素的影响, 并且夹紧力是不容易控制的。
除此之外, 还有一些属于平面型单面结构、并且厚度较小的结构件的夹紧作业是采用真空吸附方式来完成的, 但是真空吸附这种方式对于厚度较大的结构件以及双面结构的结构件来说, 其吸附效果是比较差的。
针对那些刚性比较低的产品来讲, 夹紧力这件事儿是导致零件发生变形情况的一个很重要方面的因素。在进行加工操作的过程之中, 在夹紧力和切削力这两个东西之间所存在的波动这种现象会产生一种互相配合的效果, 从而导致加工后留下的应力以及工件内部原有的应力出现重新分配的情况, 进而影响到工件的变形程度。
特别是薄壁零件的刚性比较差, 在加工的时候, 夹紧和压制所产生的弹性变形会影响表面的尺寸精度以及形状和位置精度由于夹紧力和支承力的作用点如果选择不合适, 也会引起附加应力。
咱们在进行这类零件的数控加工过程里, 在装夹环节上, 可以采用一种被称为基于加工过渡外形的柔性装夹的方法。说白了, 就是先测量一下处于没有受到外力约束状态下的过渡外形是什么样子的, 然后再去调节凸台的高度还有顶部的斜率。
这么做的目的呢, 是让整个装夹系统的、由柔性凸台构成的外形, 能够和零件在不受力时的过渡外形做到完全贴合。这样一来, 就能有效避免因为装夹而产生的变形了。关于柔性凸台的分布情况, 可以根据现场的实际需要进行调整, 这样做的好处是能让施加在零件上的装夹力变得均匀起来。
中航工业成飞这个单位和清华大学进行了合作, 他们针对柔性工装以及那些作为支撑使用的部件在设计方面还有制造方面做了一些探索的工作。
然而, 关于柔性工装的制造, 它存在的成本比较高昂以及制造的周期相对较长的情况导致了在实际的加工装夹环节中如果遇到大型的钛合金结构件时, 大家通常是采用一种被称为无应力装夹的这种处理方式来进行应对。
具体说就是通过在刚性凸台上面放置垫片这样的做法来达到避免出现由于装夹引起变形的现象的一个目的, 结果是在实际应用中也取得了比较不错的、或者说较好的应用效果。
在钛合金结构件装夹布局优化等方面, 存在着许多理论和实际应用问题, 这些问题的进一步研究和解决, 是未来主要的研究和发展趋势所包含的内容。具体而言, 首先是要进行合理的装夹方案设计, 通过这种合理的设计方案, 来有效地增加工艺系统的刚度, 减少工件的变形, 并且提高切削加工的稳定性。
其次, 还需要对新的辅助支承装夹方式进行研究。对于薄壁复杂结构的钛合金零件来说, 传统的采用辅助支用来增加结构刚性的工艺手段, 很难满足高精度的加工要求。同时, 这种传统方法的操作比较复杂, 效率也比较低。因此, 需要去突破一些新的辅助支承装夹方法。
2、加工刀具技术
现在这个高速切削技术, 发展得那是非常快。于是, 高速切削所用的刀具材料, 还有制造刀具的那个技术, 都发生了特别巨大的变化。新的材料、新的涂层儿、还有新的技术, 不断地冒出来。可是, 现在的刀具技术依然还是一个技术方面的瓶颈问题。它限制着钛合金这种不好加工的材料在加工方面效率的提高。
从提高金属去除率的角度来出发, 目前针对钛合金航空结构件的高效粗加工刀具, 主要有玉米铣刀、插铣刀、大进给铣刀以及组合刀具等等。其中, 采用玉米铣刀、插铣刀以及组合刀具等工具的时候, 对机床的功率和扭矩有一定的要求。
而大进给铣刀对机床功率和扭矩以及刚性无特殊要求。已经有了加工应用的表明来说, 使用大进给铣刀的情况下, 切削效率可以有效提高50%以上。
从控制零件的加工精度这个前提出发, 针对钛合金航空结构件的高效精加工来说, 主要采用的刀具是整体螺旋立铣刀。如果使用密齿的刀具, 也就是拥有5到10个齿的刀具, 那就可以明显改善加工之后的表面粗糙度问题。而如果采用那种不等齿距的立铣刀的话, 又可以有效提升极限切深的数值。
随着新型刀具材料这种事物被弄出来了, 还有新型刀具这个东西也在不停地往前发展, 所以, 国内还有国外的人, 就针对那一个钛合金切削加工所使用的工具这一块, 做了很多很多的研究工作。
在现在, 对于国内而言, 针对钛合金的切削加工领域所使用的刀具, 大家也还是展开并进行了不少的研究工作。
在多项国家基础科研项目给了支持的情况下, 跟好多国内的高校弄了合作, 关于那种钛合金的高速切削、高效加工的刀具这一块儿, 去研究了啥子刀具和工件上面, 它们那个组成的成分之间发生的元素扩散的情况, 还有化学反应的情况, 再就是它们相互粘结起来以及熔解起来的状况这些个事儿, 同时, 建立起来了切削刀具跟钛合金材料力学性能、物理性能和化学性能之间那个合理的匹配的这样一种关系模型, 还有匹配的这样一套设计理论；另外, 还去研究了在高速切削这个条件底下, 刀具磨损是咋回事、破损又是咋回事的机理, 同时也研究了不同的冷却方式会对钛合金加工时候的切削性能产生啥影响、对刀具寿命产生啥影响这些方面的问题, 最后, 也建立起来了钛合金在高速加工里面使用刀具的那个寿命模型。
四、未来展望
如今的航空结构件加工技术, 发展的速度那是相当的快可以说是日新月异, 而且未来的日子里面还有非常巨大的发展空间以及非常大的潜力等着去实现。
随着越来越多的新冒出来的材料在不断显示出来, 并且制作工艺也在持续地进行创新这一种情况出现, 我们这边是有了希望可以把飞机身上那些需要承受力的部件的性能还有质量给进一步地往上提升。
同时也存在着一种情况, 就是数字上所使用的技术以及那种按照智能方式来进行制造的技术二者进行了混合连接, 这种混合会为了进行加工的这个行动带来在精确度上面更高的要求以及在速度上面更快的效率。
在刀具技术这个方面, 新型刀片的材料和涂层的研发工作要是能够搞好的话, 就能让切削的性能得到提高, 同时也能把刀具的使用寿命给拉长一点。另外呢, 说到加工工艺这方面问题, 多轴联动加工和复合加工技术的运用会让那些结构很复杂的零件的加工过程变得更加高效, 而且精度也会变得更高一些。
此外呢, 产学研这一块的合作会变得非常的紧密, 这种紧密合作会去加速技术成果方面的转化还有应用这一系列的进程, 进而去推动我国航空制造业迈向到一个更高的水平, 最后是为了给航空工业的发展去提供一个更加坚实的、属于技术支撑方面的一些条件。
把话说完, 总之就是航空结构件加工技术一直不停地在进步, 这股力量会成为我国航空事业快速发展的强大动力来源, 让我们在全球航空这个大的环境里面, 能够占到一个更加重要的位置。
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