航空結(jié)構(gòu)件品種繁多、形態(tài)復(fù)雜、選材各異，而引起加工變形的原因與毛坯的材質(zhì)、零件的幾何形狀以及生產(chǎn)條件等眾多因素有關(guān)，是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)制造問題。正因?yàn)橛绊懸蛩氐膹?fù)雜多樣性，使之成為現(xiàn)代飛機(jī)制造中的瓶頸之一，也是國際上長期關(guān)注而又待解決的世界性難題。國際上對航空結(jié)構(gòu)零件加工變形的研究一直非常重視，數(shù)十年來，美、法、俄、德、日等國家航空航天局及有關(guān)研究機(jī)構(gòu)與大學(xué)進(jìn)行了長期不懈的研究。并從航空構(gòu)件毛坯成形、熱處理與機(jī)械加工各個(gè)制造環(huán)節(jié)，研究加工變形機(jī)理，其中殘余應(yīng)力是導(dǎo)致加工變形的重要因素。為了控制加工變形，首先控制航空結(jié)構(gòu)件毛坯的殘余應(yīng)力水平;同時(shí)深入研究加工變形的工藝控制和安全校正等問題，并采用高速加工技術(shù)來控制加工變形。飛機(jī)整體構(gòu)件變形原因目前，國內(nèi)經(jīng)過多年研究及驗(yàn)證，初步得出了整體構(gòu)件發(fā)生加工變形的三大因素：1、毛坯殘余應(yīng)力的釋放(1)毛坯(鍛、鑄、鈑、棒等)經(jīng)過熱成形后，冷卻過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，切削后內(nèi)應(yīng)力重新分布引起變形;(2)毛坯本身的不平整誤差，將反映在加工后的零件上;(3)零件經(jīng)切削后，截面尺寸和形狀變化也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力分布的變化，從而引起變形。2、切削熱與切削力引起的變形(1)切削熱：在切削過程中，為克服材料的彈性變形、塑性變形和刀具與工件之間的摩擦所做的功，大部分轉(zhuǎn)化為切削熱，造成零件各部位溫度不均，使零件產(chǎn)生變形;(2)切削力：刀具的切削分力，使零件表面在彈性恢復(fù)后產(chǎn)生不平度;(3)殘余內(nèi)應(yīng)力：加工后的殘余內(nèi)應(yīng)力重新分布，將使加工好的零件變形。3、工件的裝夾變形與回彈(1)因薄壁零件剛性差，加工時(shí)夾、壓的彈性變形將影響表面的尺寸精度和形狀、位置精度;(2)因夾緊力與支承力的作用點(diǎn)選擇不當(dāng)，會(huì)引起附加應(yīng)力。圖1-1影響航空結(jié)構(gòu)件加工精度的因素除了上述原因外，機(jī)床、工裝的剛度，加工環(huán)境的溫度，刀具的磨損，零件冷卻散熱情況等等對零件的變形也都有一定的影響，圖1—1較為詳細(xì)地列舉了影響航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形產(chǎn)生的各個(gè)因素。殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力對鋁合金構(gòu)件的強(qiáng)度、疲勞壽命、抗應(yīng)力腐蝕性能和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性都有很大影響。(1)殘余應(yīng)力對材料靜強(qiáng)度的影響若具有殘余應(yīng)力的構(gòu)件承受外載作用，則構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力為殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力之代數(shù)和，這相當(dāng)于改變了應(yīng)力一應(yīng)變曲線。因此，拉伸殘余應(yīng)力將降低拉伸屈服極限，提高壓縮屈服極限;而壓縮殘余應(yīng)力效應(yīng)則相反。若合成載荷超過材料的屈服強(qiáng)度，即發(fā)生塑性變形，殘余應(yīng)力將松馳。如果材料的屈服比a。/0b很大，其塑性變形容量很小時(shí)，必須考慮殘余應(yīng)力對靜強(qiáng)度的影響。(2)殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響人們習(xí)慣上認(rèn)為，壓縮殘余應(yīng)力能顯著提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，而拉伸殘余應(yīng)力會(huì)降低疲勞強(qiáng)度，因此在實(shí)用中往往通過表面強(qiáng)化處理引入壓縮殘余應(yīng)力，從而有效地提高疲勞強(qiáng)度。實(shí)際上，殘余應(yīng)力對疲勞的影響因條件和環(huán)境的不同而改變，它與材料的性能和外載形式、殘余應(yīng)力分布及在應(yīng)力交變過程中的穩(wěn)定性等因素有關(guān)，正確估算構(gòu)件的疲勞壽命是工程界有待解決的問題之一。(3)殘余應(yīng)力對腐蝕開裂的影響當(dāng)材料處于靜應(yīng)力作用下，在腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中經(jīng)歷一定時(shí)間后就發(fā)生開裂，并擴(kuò)展到整個(gè)截面而破壞，這就是應(yīng)力腐蝕開裂。拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共存是應(yīng)力發(fā)生開裂的必要條件。在應(yīng)力腐蝕開裂問題中，殘余應(yīng)力的作用與載荷應(yīng)力相同，殘余拉應(yīng)力的存在使腐蝕速度加速，而壓縮殘余應(yīng)力的效應(yīng)則恰恰相反，因而可以防止和降低應(yīng)力腐蝕開裂。作為防止應(yīng)力腐蝕開裂的常用措施有表面滾壓、噴丸或氮化等，其原理都是使構(gòu)件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。(4)殘余應(yīng)力對構(gòu)件加工精度與尺寸穩(wěn)定性的影響工程構(gòu)件在熱處理和鍛壓成形過程中往往存在非常大的殘余應(yīng)力場，若進(jìn)行機(jī)械加工，隨著材料的不斷去除，被切除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力將得到釋放，剩余材料的殘余應(yīng)力重新分布直至達(dá)到內(nèi)力平衡，從而導(dǎo)致構(gòu)件變形。同樣，構(gòu)件在使用過程中受到外力、溫度等因素作用時(shí)殘余應(yīng)力將發(fā)生松馳與再分布，則能破壞構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性，這也是工程界有待解決的問題之一。航空鋁合金殘余應(yīng)力測試與評估技術(shù)研究現(xiàn)狀有關(guān)殘余應(yīng)力的測定以及對材料性能影響的研究日益為工程技術(shù)界重視。世界各國數(shù)十年來投入了大量的人力與物力進(jìn)行了長期不懈的研究。從20世紀(jì)30年代發(fā)展至今，已形成了數(shù)十種殘余應(yīng)力測試技術(shù)與方法，比較成功地解決了大量的工程實(shí)際問題。然而，現(xiàn)有的殘余應(yīng)力測試?yán)碚?、技術(shù)、方法與設(shè)備等各方面都已難以滿足工程實(shí)際的迫切需要。首先，現(xiàn)有的殘余應(yīng)力測試?yán)碚?、技術(shù)與方法都是基于彈性力學(xué)各向同性、線彈性與二維均勻分布應(yīng)力場的理想假設(shè)，這與工程實(shí)際問題普遍不符，實(shí)際上，材料及其制品內(nèi)部的殘余應(yīng)力一般是三維狀態(tài)。其次，現(xiàn)有的各種殘余應(yīng)力測試技術(shù)更多的關(guān)注于測試簡單構(gòu)件表面或淺表層的殘余應(yīng)力，無損便捷的用于測定復(fù)雜結(jié)構(gòu)件與厚壁件內(nèi)部的殘余應(yīng)力方法手段相對欠缺。再次，如何建立包括構(gòu)件表面與內(nèi)部整個(gè)殘余應(yīng)力場的普適模型，用來系統(tǒng)地分析與判斷殘余應(yīng)力對于材料性能的影響也是個(gè)難題。有關(guān)研究報(bào)告指出，航空結(jié)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力是引起零件變形的主要原因之一。因此，最大限度地提高航空鋁合金結(jié)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的測試精度與可信度，直接影響到定量評估殘余應(yīng)力對強(qiáng)度、壽命及尺寸穩(wěn)定性影響的可信度與準(zhǔn)確度。為了有效地評估各種航空結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力分布與應(yīng)力消除工藝的實(shí)際效果，必須具有精確的殘余應(yīng)力測試技術(shù)。中子法與同步衍射法是測定工程零部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力的理想方法，但大科學(xué)裝置數(shù)量有限，且難以用于工程現(xiàn)場，難以廣泛使用;剝層法與割縫法雖然也能測定內(nèi)部殘余應(yīng)力，但只能測形狀簡單零件單(雙)軸向應(yīng)力;X射線法與鉆孔法是目前國內(nèi)最常用的殘余應(yīng)力測試技術(shù)。鉆孔法可用于測定零件淺表層深度二維殘余應(yīng)力場，其基本思想是在具有殘余應(yīng)力的構(gòu)件上鉆一小孔，使孔的領(lǐng)域內(nèi)由于部分應(yīng)力釋放而產(chǎn)生相應(yīng)的位移和應(yīng)變，經(jīng)換算得到鉆孔處的原有的應(yīng)力。鉆孔法在工程上得到廣泛應(yīng)用，其最大特點(diǎn)是對試件損傷小?甚至不影響構(gòu)件的正常使用。X射線法基本原理是通過測量晶體結(jié)構(gòu)面間距的變化來測量應(yīng)變，原本可測定零件表面的殘余應(yīng)力，若輔之以剝層法或化學(xué)蝕刻法，也可測定零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布。但是由于蝕刻非常耗時(shí)，蝕刻層深度精度與蝕刻區(qū)域的幾何形狀均難以控制，最大蝕刻深度也有限，因此，這最常用的兩種辦法需要大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與操作。結(jié)語事實(shí)上，殘余應(yīng)力引起工程結(jié)構(gòu)件變形與尺寸不穩(wěn)定性的現(xiàn)象普遍存在，但長期以來，行業(yè)內(nèi)工程實(shí)踐應(yīng)用不足。究其根源，一方面國內(nèi)外對殘余應(yīng)力引起加工變形與尺寸不穩(wěn)定性的機(jī)理分析、預(yù)測與控制等相關(guān)理論缺乏系統(tǒng)研究;另一方面，構(gòu)件中的殘余應(yīng)力是引起其尺寸不穩(wěn)定性以及加工變形的根源之一，但僅是提供一種引起尺寸不穩(wěn)定性的潛在因素，實(shí)