殘余應力與加工變形控制技術

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1、殘余應力與加工變形控制技術隨著現(xiàn)代飛機性能的不斷提高，對發(fā)動機導向器、渦輪盤、燃燒室、飛機機身部件、發(fā)動機艙、飛機框架、整體壁板、起落架等提出了更高的要求。前述部件實現(xiàn)高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造業(yè)面臨的一個重要課題，許多關鍵部件加工質量和精度很難控制。例如骨架零件尤其是主承力結構件，包括飛機的整體框、整體梁、整體腹板、長緣條等普遍采用由大型整塊毛坯直接“掏空”而加工成復雜槽腔、筋條、凸臺和減輕孔等整體結構件。整體結構件體積大、壁薄、剛度差、易變形、切削加工余量大，加工周期長，加工質量和精度很

2、難控制。在航空結構件普遍存在的加工變形是數(shù)控加工領域公認的難題。針對航空結構件多采用鍛造成型方式，后續(xù)切削量較大等特點，從其毛坯成型、熱處理與機械加工各個制造環(huán)節(jié)，研究加工變形機理，可以認為航空結構件發(fā)生加工變形的主要成因（如下圖所示）：毛坯件殘余應力的釋放、切削熱變形、加工受力變形和裝卡變形?！皻堄鄳εc加工變形控制”整體解決方案的核心思想是充分考慮工件毛坯的初始殘余應力狀態(tài)與分布，及其在后續(xù)機械加工過程中的變化情況。通過對加工工藝的有限元仿真及真實工件的實驗檢測，對完整工藝過程中引入的殘余應力及其對尺寸精度及

3、穩(wěn)定性等造成的影響進行綜合評價，繼而采用加工工藝的優(yōu)化技術及殘余應力的定位均化技術，從而可獲得加工變形小、無應力集中的長壽命結構件。首先，殘余應力評價直觀地反應各個加工環(huán)節(jié)中工件的殘余應力分布與變形情況，目前翔博科技采用世界領先的X射線衍射法殘余應力無損檢測技術，可現(xiàn)場操作并繪制應力云圖，可以準確、全面的掌握工件在各個加工環(huán)節(jié)的應力狀態(tài)，并引申得到加工變形情況另外，“加工變形控制”將加工工藝優(yōu)化與頻譜諧波定位時效結合，從而抑制殘余應力的逐步累積。采用有限元仿真技術預測殘余應力，分析對比多種加工方案，獲取最優(yōu)加工參

4、數(shù)及加工工藝。進而通過模態(tài)分析手段選擇最優(yōu)振型及最佳振動參數(shù)，依據(jù)振動時效原理，實現(xiàn)殘余應力降低與均化，最終獲得滿足設計使用要求的結構件。航空制造領域的產(chǎn)品投產(chǎn)前要經(jīng)歷單件或小批量試制、工藝定形、批量投產(chǎn)的過程，一方面，試制件的材料與加工費用昂貴；另一方面，傳統(tǒng)的工藝定形往往需要經(jīng)歷一定的摸索周期，若出現(xiàn)問題很難定位變形產(chǎn)生的原因并加以解決。針對殘余應力與變形的“數(shù)字化預評估”技術，將產(chǎn)品的試制由生產(chǎn)車間轉移到了實驗室的數(shù)字化虛擬平臺，將虛擬制造概念與CAE仿真技術有機結合，通過仿真加工過程中殘余應力的產(chǎn)生、積累

5、與釋放過程，對試制工件的殘余應力與加工變形進行預先評估，為工藝人員改進加工工藝及參數(shù)提供量化的參考結果，大幅節(jié)省了試制的物質與時間成本。隨著近年來在計算機技術的迸發(fā)性發(fā)展，虛擬制造、數(shù)字化工藝等一批新概念應運而生，前者注重預測、檢測和評價產(chǎn)品的可制造性及性能，后者側重于評價現(xiàn)有的加工質量及加工工藝，并制定相應的工藝路線優(yōu)化策略。殘余應力作為工件加工過程中的必然派生品，與工件的變形、開裂、強度、壽命等問題息息相關，是評價產(chǎn)品的可制造性與加工工藝優(yōu)劣的重要參考因素，同時也是虛擬制造、數(shù)字化工藝等技術較少涉及的短板。從

6、虛擬制造的技術角度，“針對殘余應力與變形的數(shù)字化預評估”有針對性的預先評價產(chǎn)品的可加工性，并省卻了繁瑣冗長的真實加工試制流程并減小了加工浪費；“殘余應力與加工變形控制整體解決方案”可以完善和提高整體加工策略，能夠實現(xiàn)工藝的數(shù)字化優(yōu)化路徑，二者可以提高滿足軍民用產(chǎn)品需求的相應敏捷性與及時性，同時提升設備整體利用率。為了解決加工變形問題，學者們在各個領域進行了廣泛研究，如切削加工過程模擬、殘余應力數(shù)值模擬等，其在一定程度上為優(yōu)化工藝提供了理論依據(jù)。這些文獻主要集中在二維切削加工機理的研究或主要研究引起加工變形的某一因

7、素上，這類分析結果往往缺乏與實測應力或變形數(shù)據(jù)的比對，同時不具備對殘余應力的均化手段，這對于徹底解決航空結構件的整體變形問題仍具較大局限性。北京翔博科技堅定走產(chǎn)學研用結合道路，具有專業(yè)的技術團隊，除包括近百名普通技術人員外，擁有具備固體力學、材料力學、機械制造、控制工程等專業(yè)的碩士、博士學歷的研究人員20余名，其中多人曾經(jīng)或正在參與國家973、863項目，以及十一五、十二五期間多個重大項目；公司還建設有高性能機群運算中心，可以支持大型CAE仿真分析項目；配備多臺國外引進的X射線殘余應力分析儀，可以快速、無損、準確

8、地對工件殘余應力進行實測分析。2012年，北京翔博科技有限責任公司與具有航空專業(yè)背景的知名高校北京航空航天大學成立“殘余應力與加工變形控制”聯(lián)合實驗室，致力于殘余應力預測、檢測、均化與消除、機械加工變形控制等相關技術領域的應用研究，解決我國軍工制造企業(yè)的加工變形控制難題，最終為企業(yè)提供型號裝備快速制造、批量制造工藝解決方案及交鑰匙工程。