在航空领域，结构件普遍存在的加工变形是切削加工领域公认的难题。由于航空结构件的特殊性，要求高精度、高可靠性，许多关键部件加工质量和精度很难控制。

特别是在加工过程中，由于毛坯初始残余应力的不均匀释放以及毛坯初始残余应力与加工过程中的热—力耦合综合作用，最终产生加工变形。在实际生产中，航空整体结构件如整体框、整体梁、整体腹板、长缘条等，在数控加工后大都存在不同程度的变形，使零件难以达到设计要求，甚至成为废品。

那么，使航空结构件变形的原因有哪些呢?

航空结构件加工变形的原因

由于工艺环节的复杂性，航空结构件变形的原因众多，主要包括以下几个方面：

(1)工件材料特性的影响

铝合金和钛合金是航空结构件的主要材料，而这 2 种材料都具有弹性模量低的特点，在切削加工中极易产生回弹，特别是大型薄壁零件，还会产生严重的让刀现象。因其弹性模量小，即使在相同外载的作用下，也会产生更大的加工变形。

(2)毛坯初始残余应力的影响

在毛坯制造过程中，因外力或不均匀温度场的作用引起材料不均匀的弹塑性变形，在毛坯中产生了残余应力。整体结构件生产现场和理论研究均表明，毛坯初始残余应力与工件加工变形密切相关。在加工过程中，当毛坯初始残余应力平衡遭到破坏时，零件内部应力重新分布以达到新的平衡，从而导致工件变形。

目前，钛合金材料在航空整体结构件中的应用越来越多，而钛合金零件的毛坯材料大都为锻造毛坯，残余应力分布尤为不均，所以钛合金整体结构件加工变形的问题尤为突出。

(3) 切削力和切削热的影响

切削力一方面会引起工件的回弹变形，另一方面，会在切削力较大时，超过材料的弹性极限，引起工件的挤压变形。同时，在切削加工过程中摩擦导致的热应力，同样影响毛坯中的应力分布，加剧零件的变形。

(4)装夹因素的影响

机床夹具是机械加工系统的一个起定位和约束工件作用的子系统。对于刚性较低的工件，夹紧力是引起零件变形不可忽视的一个重要因素。在整体结构件加工中，夹紧力还与切削力间的波动效应产生耦合作用，引起加工应力和工件内部残余应力的重新分布，影响工件的变形。

(5)加工路径因素的影响

加工路径不同将导致工件内原有残余应力释放顺序以及工件的不同刚度特点发生变化等而造成不同的变形。随着加工过程的进行，毛坯材料被逐渐切除，工件的刚度逐渐减小，同时由于切削力和切削热作用，产生新的残余应力。

路径不同，新的残余应力与毛坯中原有残余应力的耦合顺序和耦合效果也不同，这些复杂因素的共同作用，将引起工件不同的变形。同时，不同的走刀路径将影响工件的刚度不同刚度变化，进一步影响工件的加工变形。

除上述原因外，切削参数、刀具(如刀具材料、刚度、几何角度、磨损等)、机床(如机床刚度、加工精度等)、冷却条件、切削振动以及其他随机因素等对零件变形也有一定的影响。

航空结构件加工变形的预测及控制技术

针对航空结构件加工变形问题，翔博科技提出“残余应力检测与变形控制”整体解决方案。

“残余应力与变形控制”整体解决方案的核心思想是充分考虑工件毛坯的初始残余应力状态与分布，及其在后续机械加工过程中的变化情况。通过对加工工艺的有限元仿真及真实工件的实验检测，对完整工艺过程中引入的残余应力及其对尺寸精度及稳定性等造成的影响进行综合评价，继而采用加工工艺的优化技术及残余应力的定位均化技术，从而可获得加工变形小、无应力集中的长寿命结构件。

主要解决流程如下：

1、残余应力检测及评估

残余应力作为工件加工过程中的必然派生品，与工件的变形、开裂、强度、寿命等问题息息相关，是评价产品的可制造性与加工工艺优劣的重要参考因素。

对残余应力进行检测，可直观地反应各个加工环节中工件的残余应力分布，通过评估，得出应力值与变形情况的关联性。目前翔博科技采用领先的X射线衍射法残余应力无损检测技术，可现场操作并绘制应力云图，准确、全面地掌握工件在各个加工环节的应力状态，并引申得到加工变形情况。

2、有限元仿真

航空制造领域的产品投产前要经历单件或小批量试制、工艺定形、批量投产的过程，一方面，试制件的材料与加工费用昂贵;另一方面，传统的工艺定形往往需要经历一定的摸索周期，若出现问题很难定位变形产生的原因并加以解决。

对此，北京翔博科技结合仿真技术，将产品的试制由生产车间转移到了实验室的数字化虚拟平台，将虚拟制造概念与CAE仿真技术有机结合，通过仿真加工过程中残余应力的产生、积累与释放过程，对试制工件的残余应力与加工变形进行预先评估，为工艺人员改进加工工艺及参数提供量化的参考结果，大幅节省试制的物质与时间成本。

3、薄壁件去应力

了解决加工变形问题，学者们在各个领域进行了广泛研究，如切削加工过程模拟、残余应力数值模拟等，其在一定程度上为优化工艺提供了理论依据。但这类分析结果往往缺乏与实测应力或变形数据的比对，同时不具备对残余应力的均化手段，这对于彻底解决航空结构件的整体变形问题仍具较大局限性。

如何有效解决航空结构件变形呢?

北京翔博科技自主研发了模态宽频时效，采用高频率、低动应力振动，使零件内部残余应力降低并达到稳定状态，对于减少应力集中降低开裂失效风险、提高零件的加工尺寸精度和尺寸稳定性具有积极作用。

残余应力检测+有限元仿真+振动时效，是翔博科技 “残余应力与变形控制”整体解决方案的三板斧，有效解决了航空结构件变形问题。多年来，北京翔博科技致力于残余应力检测、均化与消除、机械加工变形控制等相关技术领域的应用研究，解决我国制造企业的加工变形控制难题，已经在行业内树立了典范。