残余应力与加工变形控制技术

残余应力与加工变形控制技术

随着现代飞机性能的不断提高，对发动机导向器、涡轮盘、燃烧室、飞机机身部件、发

动机舱、飞机框架、整体壁板、起落架等提出了更高的要求。前述部件实现高精度、高效率

和高可靠性的切削加工一直是航空制造业面临的一个重要课题，许多关键部件加工质量和精

度很难控制。例如骨架零件尤其是主承力结构件，包括飞机的整体框、整体梁、整体腹板、

长缘条等普遍采用由大型整块毛坯直接“掏空”而加工成复杂槽腔、筋条、凸台和减轻孔等

整体结构件。整体结构件体积大、壁薄、刚度差、易变形、切削加工余量大，加工周期长，

加工质量和精度很难控制。在航空结构件普遍存在的加工变形是数控加工领域公认的难题。

针对航空结构件多采用锻造成型方式，后续切削量较大等特点，从其毛坯成型、热处理

与机械加工各个制造环节，研究加工变形机理，可以认为航空结构件发生加工变形的主要成因（如下图所示）：毛坯件残余应力的释放、切削热变形、加工受力变形和装卡变形。

加工受力变形裟卡变形

切削热变形

“残余应力与加工变形控制”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。

首先，残余应力评价直观地反应各个加工环节中工件的残余应力分布与变形情况，目前翔博科技采用世界领先的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，可以准确、全面的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

另外，“加工变形控制”将加工工艺优化与频谱谐波定位时效结合，从而抑制残余应力

的逐步累积。采用有限元仿真技术预测残余应力，分析对比多种加工方案，获取最优加工参数及加工工艺。进而通过模态分析手段选择最优振型及最佳振动参数，依据振动时效原理, 实现残余应力降低与均化，最终获得满足设计使用要求的结构件。

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。针对残余应力与变形的“数字化预评估” 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，大幅节省了试制的物质与时间成本。

随着近年来在计算机技术的迸发性发展，虚拟制造、数字化工艺等一批新概念应运而生，前者注重预测、检测和评价产品的可制造性及性能，后者侧重于评价现有的加工质量及加工工艺，并制定相应的工艺路线优化策略。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，同时也是虚拟制造、数字化工艺等技术较少涉及的短板。从虚拟制造的技术角度，“针对残余应力与变形的数字化预评估”有针对性的预先评价产品的可加工性，并省却了繁琐冗长的真实加工试制流程并减小了加工浪费；“残余应力与加工变形控制整体解决方案”可以完善和提高整体加工策略，能够实现工艺的数字化优化路径，二者可以提高满足军民用产品需求的相应敏捷性与及时性，同时提升设备整体利用率。

为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。这些文献主要集中在二维切削加工机理的研究或主要研究引起加工变形的某一因素上，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。