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整体薄壁窗框数控加工技术应用研究

摘 要：作为飞机前机身的重要定位承力结构件，整体窗框具有结构复杂、曲率大、刚性差的特点，其数控加工过程中较大的变形量影响后续批次零件的交付进度。本文通过大型飞机整体窗框的研制，详细分析了采用模锻件加工整体大型薄壁窗框时所面临的变形控制技术难题。结合加工工艺方案、装夹定位方案、高效加工和仿真加工等关键技术的研究应用，将整体薄壁窗框变形量控制在装配允许的公差范围内，并提炼出典型薄壁窗框类零件的数控加工工艺方案。结果表明，该技术切实提高了整体薄壁窗框类零件的加工质量，也对航空整体薄壁件的加工具有一定的借鉴作用。
关键词：窗框；变形控制；整体薄壁窗框；工艺方案；装夹定位

0 引 言
随着现代飞行器对高速、高机动性能要求的进一步提高，飞机上越来越多地采用整体薄壁件[1]。部分零件进行了较大程度的结构整合，产生了一批具有较大制造难度的整体大曲率薄壁易变形结构件——窗框类零件。
1.1 零件结构分析
窗框零件为弧形镂空结构，外形面为双曲面且有多处凸起；零件内侧多为深槽腔开闭角混合结构零件理论外形面存在T型筋结构。外形曲面上T型筋结构，加工难度大，尺寸难以保证。T型刀底盘较大，加工过程中容易铣伤型面。零件槽腔面开闭角混合相接，槽腔深，角度大，见图1。由于窗框特殊的结构，整体刚性差，抗变形能力低，变形导致零件理论外形和结构尺寸无法同时保证。

图1 外形曲面上T型筋结构
1.2装夹难度分析
零件结构跨度大，压紧力难以传递，装夹可靠性低，缺乏有效支撑装夹部位导致设计工装时无法使用真空吸附；无真空吸附的工装导致零件加工过程中的变形抗力无法充分抵消，从而造成零件尺寸超差、表面质量差等不利后果。
2 关键技术应用研究
2.1 装夹方案设计
引起航空整体薄壁件加工变形的原因很多，在影响加工变形的众多因素中，因装夹所引起的变形占将近三分之一。在加工中夹紧力还与切削力间力的波动效应产生作用，引起加工残余应力和工件内部残余应力的重新分布，增加工件的变形。
对于薄壁的框类零件，预留工艺凸台，在凸台上用压板压紧或在凸台上加工通孔，通过螺栓预紧力达到夹紧工件的目的，加工结束后把凸台去掉。合理的凸台布局是减小工件加工变形的关键工艺环节之一，见图2。

图2 工装示意图
2.2 变形控制策略
1、变形控制理论研究
毛坯内应力：属于宏观应力，形成于材料凝固、热处理的微观过程和机械处理的宏观过程。加工残余应力：属于微观应力，形成于机械加工中热、挤压的微观过程,见图3。
锻件内应力分布复杂；分布幅值高，铝合金锻件接近±150MPa，见图4；三维分布梯度大，达到10-100MPa/mm，见图5，复杂内应力给加工带来的难题：零件精度难保证、工艺稳定性差、增加额外工序。

图3 宏观应力与微观应力示意图

图4 试件残余应力示意图

图5 残余应力三维分布示意图
加工残余应力的特点：成因复杂，与材料特性、刀具参数、工艺参数有关，且幅值高、波动范围大，铝合金材料±50-100MPa，分布浅、梯度高、易松弛，在零件表面0.1-0.2mm范围内，变化值500-1500MPa/mm，零件加工后易松弛，复杂加工应力给加工带来的难题：稳定均匀的压应力产生难、薄壁结构加工精度难保证、薄壁结构加工后精度稳定性差。
2、合理的工艺流程设计
1）由于型材毛料余量限制，必须合理的分配各个方位的加工余量，并通过旋转合理的包络零件。通过试验件加工分析，掌握变形规律和程度，使得材料去除趋于均衡，达到控制变形的目的。
2）粗加工时采用开应力槽（铣外形轮廓）、变参数加工等手段控制零件变形。
3）精加工采用小余量、多次修正基准、间隔时效的方式逐步去除加工过程积累的应力变形。
4）优先保证零件理论外形尺寸。
2、优化走刀策略和切削参数
1）必须充分考虑各个结构的加工策略，下刀方式，走刀轨迹，切削参数，最大限度减少残留或接差，如图窗框T型筋结构程编策略，见图6。

图6 T型筋结构程编策略
2）粗加工通过大量曲面再造、缝合，通过减少抬刀；增加切深，增大刀宽，提高速度来提高材料去除率；同时缩短刀具悬伸选用焊齿合金刀具配合抗震刀柄。
3）半精、精加工采用“小切削大进给”方式，过程平稳达到了降低表面粗糙度的效果。提高切削速度，合理选择进给量，多层切削且选取小的切削深度可以有效改善薄壁件的加工变形问题。
2.3 高效加工技术应用
使用高速机床，主轴转速高，单齿进给量小，切削力小，改善了工件表面质量和精度。切削速度达到一定值后，切削力降低，尤其是径向切削力的大幅度减少，提高了零件加工的表面质量。同时高速铣削时95%以上的切削热来不及传递给工件，被切屑带走，工件表面基本上保持冷态，在一定程度上减小了变形。
在精加工时用笔型刀对零件进行仿形加工。在保证刀具悬伸的条件下，笔型刀的刚性较强，摆角加工能有效的清除零件闭角残留。精加工时采用“小切削大进给”方式，过程平稳达到了降低表面粗糙度的效果。降低了表面应力水平，使材料残余应力均匀。同时，用笔型刀定角度的行切，也可减少五轴联摆带来的降速，提高加工平稳度，提高加工效率。
2.4 建立完整的机床模拟加工环境，确保试切安全
由于需要大量在接近机床行程、摆角极限状态下进行加工，角度变化大，因此确保加工过程中不出现碰撞干涉、超程等意外错误至关重要。
VERICUT是一款数控加工仿真系统软件，本文应用了该软件的NC程序验证模块、机床模拟加工模块和仿真实体比较模块，见图7。

图7 仿真对比图
3 加工流程设计
采用六工位加工方案，具体见图8：

图8 加工流程

4 结 论
本文采用的工艺流程，配合高效加工技术和机床模拟仿真软件的应用能加工出符合设计要求的窗框零件，零件的表面质量得到提升，减少了钳工工作量。基于大型飞机整体窗框的研制，详细论述了从工艺流程设计方面如何降低零件加工变形量。为批产后的实际加工提供合理的工艺方案和工艺参数，为后续加工大型复杂国内及转包飞机整体窗框零件奠定了基础。

参考文献

[1] 孙杰，李剑锋，杨勇.航空整体结构件高效高精度加工关键技术研究(上)[J].金属加工（冷加工），
2008，（16）：26-32

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