航空薄壁结构应用论文

航空薄壁结构应用论文 篇1：

倾斜薄壁结构件激光熔覆成形技术分析

摘要：倾斜薄壁零件是广泛应用于高新科技产业之中的零件类型，其厚度薄，表面积与厚度比值较高，具有用材省、精度高、性能好等特性，在汽车、通信、航空航天等领域得到了广泛的应用。然而由于对制作精度要求较高，因此传统的生产工艺很难满足倾斜薄壁零件进行生产的需求，而激光熔覆成形技术的出现则弥补了这一不足。倾斜薄壁结构件激光熔覆成形技术能够高效、准确的生产出力学性能优越的零件，在相关产业得到了广泛应用。本文即针对倾斜薄壁结构件激光熔覆成形技术的发展现状及其工艺、原理等做出简要分析。

关键词：倾斜薄壁结构件；激光熔覆成型技术；发展现状；工艺；原理

引言

激光熔覆成形技术是快速成型技术的一种，是一种先进的零件表面改性技术。它集机械工程、数控技术、逆向工程技术、分层制造技术以及激光技术为一身，能够通过对高新技术的融合生产制造出精度高、用材省的精密零件，特别是在倾斜薄壁结构件的制造方面表现出十分突出的性能，因此得到相关技术领域及科研院所的相当重视，在未来有着非常广阔的发展前景及应用前景。

1.倾斜薄壁结构件激光熔覆成形技术研究现状

1.1 倾斜薄壁件激光熔覆成形技术概述

在零件薄壁倾斜角相对较小的情况下，目前业内的快速成形系统所普遍采用的仍是3轴数控工作台，且通过在生产过程中对各参数数值进行严格的调整控制，最终能够生产出性能较好、质量较高的薄壁结构件。2003年，英国伯明翰大学的X.Wu尝试在3轴数控工作台上生产较低角度的倾斜薄壁结构件，通过对各生产参数进行科学的调整，其尝试最终取得了成功（图1）。此后，尚晓峰、卢耀君等人均对激光熔覆技术在倾斜薄壁结构件的制造中进行了尝试，并生产出了倾斜角度大于30°的零件。

为了能够提高所生产零件的薄壁倾斜角度，科研人员尝试在原有数控工作台的基础上增加旋转轴的数量，形成4轴、5轴数控工作台，并在理论上实现了倾斜薄壁结构件薄壁倾斜角度的增大。然而由于优化后的技术对生产硬件提出了更高的设备及编程技术要求，故该技术目前尚处于摸索起步阶段。

图1 倾斜薄壁结构件

1.2 倾斜薄壁件激光熔覆成形尚存问题分析

随着激光熔覆成形技术的不断发展，在技术相关的各项参数拟定、送粉点选取、裂纹控制等环节均取得了很大程度的进步，然而，由于倾斜薄壁结构件开发起步晚、工艺难度大，故在目前仍存在一系列亟待解决的问题。

第一，在目前普遍使用的3轴数控工作台的操作环境下，为了达到薄壁相应的倾斜角度，通常需要通过多层堆积过程中单层水平方向偏移的方法，该工艺相关参数的确定等技术环节尚未成熟，故容易对所制成的倾斜薄壁件其精度造成影响。此外，同样是在3轴数控工作台的操作环境下，还会由于单层平移导致台阶效应及热积累效应的出现，从而严重影响到倾斜薄壁件的表面形态及其精度。相比于3轴工艺系统，目前国际上先进的多轴系统能够在很大程度上克服3轴系统的不足之处，并实现倾斜薄壁件精度的有效提高，然而，我国在该项技术的研究及使用方面较国外先进水平存在着很大的差异，要发展多轴结构件制造工艺，国内还面临着一系列艰巨的挑战。

2.倾斜薄壁结构件激光熔覆成形工艺分析

以目前应用广泛、但生产难度较大的圆弧截面倾斜薄壁结构件的激光熔覆成形工艺为研究对象进行分析。首先，此类构件与倾斜角单一的零件不同，其随着零件高度的增加，向内连续倾斜角呈递增的趋势，同时向外连续倾斜角角度逐渐递减（图2），这一特性为激光熔覆成形工艺带来了较大的难度。其具体工艺难点分析如下：

图2 圆弧截面倾斜薄壁结构件示意图

2.1当选用3轴开环数控工作台进行操作时，倾斜薄壁结构件激光熔覆成形的工艺难度较大，零件倾斜角仅能控制在较小的角度之内。若在制作过程中选用了水平方向偏移的方式，则需在常规工艺参数的基础上添加单层偏移量的考虑，只有通过对单层偏移量的合理控制，方能确保倾斜角逐渐变化，从而达到预期的圆弧截面倾斜壁结构件的效果。

2.2若零件的向内、向外两向倾斜共存时，由于倾斜角具有各自的变化趋势且刚好反向，因此，在熔覆成形的过程中，需要对倾斜角与结构件间关系、极限角度等因素进行考虑，合理控制熔覆成形操作过程。

2.3倾斜薄壁结构件激光熔覆起始点的精确确定同样是激光熔覆成形技术的一项难点，若起始点位置不准确，则在后期进行多层堆积时，会由于位点误差的层层积累导致差值的增大；此外，激光扫描的过程中，会对所经薄壁件产生热量累积，只有合理确定激光路径，才能更好的控制薄壁件的厚度参数，同时降低金属材料的氧化程度，将热积累效应降到最低，从而实现倾斜薄壁结构件整体质量的提升。

2.4由于圆弧截面倾斜薄壁结构件在激光熔覆成形的过程中需要经过多层叠复的过程，因而在零件的上部易于形成堆积，导致散热困难，进而使得热量积累过多的部位发生塌陷。因此，在熔覆成形操作过程中需采取合理措施，避免上述现象的发生。

3.倾斜薄壁结构件激光熔覆成形原理分析

3.1 变Z轴单层提升量形成过程分析

在倾斜薄壁结构件激光熔覆成形过程中，Z轴单层提升量是一个十分重要的参数，对于熔覆成形质量控制产生直接影响。必须通过严格的技术操作确保Z轴单层提升量随着零件的单层堆积高度的变化而相应变化，二者始终保持一致。

针对这一问题，相关科研人员在研究过程中提出了一系列的应对办法。以2010年朱先刚等人提出的解决措施为例，他们在熔覆层宽度理想的假设前提之下，提出了关于△Z的变化模型：在前文中所提及的热量累积因素影响之下，△Z的增量会相比于单层堆积高度而较小，通过激光斑直径的大小调节以及加入粉末位点的移动可以使得△Z相比于单层堆积高度的减小值逐步缩小，并最终实现二者重新相等，从而确保了零件精密程度的提升。

3.2 变激光输入能量成形过程分析

针对热量积累所产生的热积累效应对激光熔覆成形过程的影响，变激光输入能量成形过程能够在一定程度上起到调节的效果。

在激光熔覆的过程中，通过激光所输入的能量对粉末进行加热熔化，从而完成熔覆的过程。然而，在长期不间断熔覆的过程中，激光所产生的热量除部分用于粉末的熔覆外，尚有相当一部分会被基体、加工中的结构件等所吸收，致使金属材料与环境中的氧气发生反应，导致材料性能发生变化，并同时导致零件形态的变化、精密度降低。大量研究表明，熔池在激光所形成的高温环境下会达到一定的温度，从而变形并再凝固形成多种形态，而只有合理调节熔池温度及形态方能确保熔覆道形态参数保持精确。这一过程需要调节激光的输入能量来实现——合理的对激光功率及其在熔覆成形过程中的扫描速率，即可很好的对输入能量起到调节作用，进而减小热累积效应对熔覆件质量精密度的影响。

4.结语

本文对倾斜薄壁结构件激光熔覆成形技术的研究发展现状、相关工艺等做出了分析，特別是对于其中变Z轴单层提升以及变激光输入能量两种方法的技术原理开展了具体阐述。激光熔覆成形技术作为目前科技含量较高的先进技术类型，在对倾斜薄壁结构件等精密零部件制造的应用中具有十分重要的意义，目前，该技术在国内各高新技术领域得到了较为广泛的应用，然而仍存在有待提升之处，需要相关科研、技术人员不断加大研发力度，从而促进倾斜薄壁结构件激光熔覆成形技术的进一步发展。

参考文献：

[1]江豪. 倾斜薄壁结构件激光熔覆成形基础研究[D].大连理工大学，2012.

[2]王续跃，江豪，徐文骥，郭东明. 变Z轴提升量法圆弧截面倾斜薄壁件激光熔覆成形研究[J]. 中国激光，2011，10：78-84.

[3]王续跃，王彦飞，江豪，徐文骥，郭东明. 圆形倾斜薄壁件的激光熔覆成形[J]. 中国激光，2014，01：84-89.

[4]宋建丽，李永堂，邓琦林，胡德金. 激光熔覆成形技术的研究进展[J]. 机械工程学报，2010，14：29-39.

[5]刘继常，李力钧. 激光熔覆成形金属薄壁结构的试验研究[J]. 机械工程学报，2004，10：185-188.

作者：苏伦昌 杨帆 张林清

航空薄壁结构应用论文 篇2：

机身壁板稳定性显式非线性分析

摘要：对6种不同构型的飞机机身下壁板薄壁结构试验件，进行显示有限元非线性屈曲分析，并与工程方法及试验得到的结果进行对比分析，可知有限元法比工程方法更精确，且与试验相比，误差更稳定.

关键词：屈曲分析； 薄壁结构； 有限元

0引言

航空器结构设计是极为复杂的工程问题，充满着种种矛盾，其中，最为突出的便是要在结构质量设计得尽可能轻的情况下，满足结构强度要求.

经过多年实践研究，设计人员最终选择杆板薄壁（蒙皮加桁条）结构形式解决飞机结构的需求.与此同时，又出现新的问题，结构在受压状态下的破坏应力远低于材料的强度极限应力，这种破坏被称为稳定性破坏.结构稳定性是飞机结构设计中最重要的问题之一，薄壁结构的静强度失效（破坏）中很大一部分是由丧失稳定性所引起的[1].

在薄壁结构稳定性破坏问题中，材料非线性和几何非线性交织在一起，这远非经典弹性稳定性理论所能概括.20世纪50年代后，发展形成一种理论与试验相结合的方法，即半理论半经验的方法[2]，该方法工程应用最方便，一直沿用至今.60年代中期以后，在一系列飞机设计实践中发现，用这种方法预测的结构稳定性失效应力水平与试验结果相差甚远[1].近年来，随着计算机技术的发展和有限元技术的成熟，大型商用有限元软件相继出现，使得有限元法分析结构的稳定性问题成为可能.有限元显式分析可以考虑材料几何及结构非线性影响，并对结构的细节进行考虑.

本文采用Dytran的显式求解方法对6种不同构型的试验件进行分析，并将计算结果与工程方法和试验进行对比，取得一定结果，为后续设计计算积累经验.

1模型

1.1模型描述

本文研究对象为机身下壁板试验件，其是由蒙皮、3个长桁间距和1个框距组成的壁板结构，两端适当延长用于夹持，试验件结构示意见图1.试验件按蒙皮厚度、长桁类型、长桁间距和框类型等分为6种构型，长桁结构类型见图2，构型的参数见表1.试验件的各结构材料性能取自MMPDS-04，材料力学性能见表2

4结论

综合分析有限元计算与试验的结果，得到以下结论.

（1）6组试验件的有限元计算值与试验值存在误差，但误差比较稳定.产生误差的原因可能有两方面：一是由于显式计算方法本身精度不够高；二是由于有限元计算时，采用的材料屈服强度和极限强度经过基准处理后，小于实际值.较之蒙皮厚度和长桁间距，长桁构型对有限元计算和试验的误差的影响要大一些.

（2）工程方法的计算结果较为保守，有限元法与工程算法相比，较为精确.

（3）由于有限元计算与试验的误差较为稳定，可以考虑通过对有限元计算结果进行修正，从而使有限元计算逼近试验结果，提高计算精度，为后续的结构设计工作提供参考.

参考文献：

[1]崔德刚. 结构稳定性设计手册[M]. 北京： 航空工业出版社， 1996.

[2]GERARD G， BECKER H. Handbook of Structural Stability. Part I-VI[M]. NACA TN3781-3786， 1956.

[3]飞机设计手册编委会. 飞机设计手册： 第9册[M]. 北京： 航空工业出版社， 2001.（编辑陈锋杰）

作者：高洁

航空薄壁结构应用论文 篇3：

薄壁零件的高效加工技术研究与应用

摘要：介绍了薄壁结构的高效铣削加工技术，并将加工技术应用在薄壁零件的悬空加工，结果证明，薄壁零件的高效加工技术既能够提高零件表面质量，同时零件加工效率提高了300%，为其他薄壁零件的高效加工优化提供指导。

关键词： 薄壁零件;高效加工;工艺方案

1 引言

国内外航空航天行业对生产制造和加工工艺水平提出的要求越来越高。随着飞机性能要求的进一步提高，国内外航空航天行业对生产制造和加工工艺水平提出的要求越来越高，结构复杂化、薄壁化、制造一体化、成本低、研制周期短的航空航天结构件逐渐成为未来航空航天部件制造的发展方向。其中薄壁零件占比日益增大，其主要由腹板和侧壁构成，因其结构形式简单、厚度尺寸较小、加工余量大、相对刚度较低，导致加工工艺性较差。在切削力、切削热、切削振颤等因素影响下，易发生加工变形，不易控制加工精度和提高加工效率。因此，如何控制加工变形和提高加工效率成为薄壁结构零件加工的重要环节。

为此，国内外学者针对薄壁零件进行了大量的理论分析和试验研究，建立了若干切削模型，并利用有限元技术模拟分析工件在加工过程中的加工变形，并由此提出了一些有效的切削方法，使薄壁件的加工技术有了长足的发展。本文在介绍薄壁结构的高效铣削加工技术基础上，并将该技术应用到批产零件的加工优化，实际验证了薄壁零件的高效加工技术。

2 薄壁零件的高效加工技术

应用高效切削技术加工薄壁零件的关键在于切削过程的稳定性。零件实际加工经验证明： 随着零件壁厚的降低，零件的刚性逐渐减低， 加工变形逐渐增大， 容易发生切削振颤，影响零件的加工质量和加工效率。J.Tlusty等人提出了充分利用零件整体刚性的刀具轨迹优化方案。其思想在于在切削过程中，尽可能的应用零件的未加工部分作为正在铣削部分的支撑，使切削过程处在刚性较好的状态。

对于侧壁的铣削加工，在切削用量允许范围内，采用大径向切深、小轴向切深分层铣削加工，充分利用零件整体刚性。

对于薄壁结构的腹板或较大的薄板加工，关键问题就是要解决由于装夹力或切削力引起的加工变形。目前，零件一般采用在薄壁结构型腔填充石膏，待石膏固化后，可以起到一定的填充装卡作用，可大大提高工件的刚度，有效抑制了加工变形，在精铣时可实现加工壁厚达到0.05mm。

对于一个未附加辅助支撑或不能添加辅助支撑的薄壁零件腹板的加工，采用有效利用零件未加工部分作为支撑的刀具轨迹优化方案可以有效的解决腹板的加工变形问题。

3 零件结构和工艺方案

3.1零件结构

零件A：腹板厚度为1.524mm，侧壁厚度均为2.285mm，腹板厚度、侧壁厚度、筋高公差均为±0.25mm，五坐标外形面，零件腹板没有减轻孔，对零件的面轮廓度及定位孔的位置度均有严格要求，零件净尺寸：242mm×214×δ73mm。

零件B：腹板厚度为1.524mm，侧壁厚度均为2.285mm，腹板厚度、侧壁厚度、筋高公差均為±0.25mm，五坐标外形面，零件腹板带有减轻孔，对零件的面轮廓度及定位孔的位置度均有严格要求，零件净尺寸：222mm×198×δ80mm。

3.2工艺方案

零件A：优化工艺方案，在筋高上均匀排布宽度为10mm的四个连接片，第一工位将立筋、腹板、零件外形以及孔加工到位，使筋高与毛料等平，以便支撑零件。第二工位零件端头加工到位，粗铣零件腹板时预留5mm，精铣腹板刀具为硬质合金立铣刀，刀具规格为Φ12R3，切削参数ae=5mm，ap=4mm，在腹板中部位置试铣直径为20mm的测量点，预留0.5mm，精铣腹板采用Φ12R3硬质合金铣刀，铣刀从试件中间位置倾斜下刀，下刀位置控制在测量点Φ20mm范围内，在深度方向铣到最终尺寸，控制好刀具切宽，然后一次走刀由中间向四周螺旋扩展至侧壁，然后精铣零件侧壁和筋高。

零件B：优化工艺方案，采用悬空加工摆脱了工装的束缚，仅在中心圆孔处预留一个直径小于减轻孔直径的支撑柱，两者差值至少在2倍刀具底角，用于支撑腹板加工，防止颤刀;此外，在筋高上均匀排布宽度为10mm的4个连接片。

4 加工验证

加工设备选用五坐标立式加工中心，设备行程：4000*1200*760，机床摆角：A±30°，B±30°，B主摆。

经过高效铣削加工技术应用，该方法较为有效的降低了切削变形及其影响，降低了由于刚性降低而能发生的切削振动的可能，零件的表面质量也有了显著提高，除连接点区域以外实现了零件无钳工打磨，单件零件加工效率提高了300%。目前已实现4件套料悬空加工，产品质量稳定，大幅缩短零件的配套周期。

5 结论

以上介绍了目前有关薄壁结构的高效加工加工技术研究状况，并将该技术应用在批产零件的实际加工，证明该技术能够有效降低切削变形及其影响，保证了零件质量，同时加工效率提高了3倍以上，为后续薄壁零件的广泛应用和高效加工积累了经验，提高我国航空航天型号产品增产速度，提升航空航天制造水平，助力航空航天制造的发展。

参考文献：

[1]赵威，何宁，李亮，武凯. 薄壁结构的高效铣削加工[J]. 航空精密制造技术. 2002 （06）

[2]杨昀，张卫红，党建卫，郑小伟，万敏. 航空薄壁件铣削加工动力学仿真技术[J]. 航空制造技术. 2018 （07） .

[3]张卫红，章胜冬，高彤. 薄壁结构的加筋布局优化设计[J]. 航空学报. 2009 （11）

[4]郑联语，汪叔淳. 薄壁零件数控加工工艺质量改进方法[J]. 航空学报. 2001 （05）.

[5]曹岩，董爱民，李云龙. 航空薄壁零件数控铣削加工仿真与误差控制[J]. 机床与液压. 2008 （09） .

[6]崔健. 浅谈薄壁零件的加工[J]. 科技创新与应用. 2016 （08）.

[7]汪通悦，何宁，李亮，方喜峰，吴春桥，仝永海. 薄壁零件的高速铣削稳定性研究[J]. 现代制造工程. 2011 （05） .

[8]董建谊，赵昌苍. 薄壁零件制造新工艺的应用[J]. 科技信息. 2010 （21）.

作者：孔祥功 王聪 牛博雅