航空铝合金薄壁件加工变形的分析与工艺方案设计.pdf

收稿日期：年 月航空铝合金薄壁件加工变形的分析与工艺方案设计薛祥友，辛浩，孙捷夫，孟幻，宋万万沈阳飞机工业（集团）有限公司；哈尔滨工程大学机电工程学院摘要：飞机整体结构件存在结构复杂、薄壁部位多和零件本身要求精度高等特点，在高速铣削过程中极易发生变形，使零件尺寸超差。以飞机舱门零件为研究对象，主要分析影响铝合金加工变形的影响因素，根据零件的结构特点制定合理的加工工艺方案，选取合理的加工参数，确保工艺过程的合理性和有效性，同时确保零件的尺寸合格，保证产品质量。关键词：薄壁件；高速铣削；铝合金加工；变形因素；工艺方案中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言随着航空工业的快速发展，飞机整体结构不断改进，大型化和整体化结构成为现代航空零件的结构特点，铝合金薄壁件在民航及军用飞机上的应用越来越广泛，且随着切削技术的进步，航空壁板类零件逐渐向着整体化、轻量化方向发展。在航空薄壁件加工过程中，由于其长厚比、跨度较大，加工时如果不采取有效的工艺方案进行控制，极易发生局部超差或整体翘曲变形，影响零件质量。本文以典型的航空铝合金薄壁零件（客机舱门零件的加工方案）作为研究对象，提出影响该舱门零件在加工过程中可能存在的变形问题，从零件的材料、结构、工艺参数、加工刀具、机床类型和装夹方式等方面进行分析和讨论，基于现有产能确定工艺方案，通过试加工，验证了本文提出工艺方案的适用性。?零件结构及加工难点分析舱门零件为双面框类重要结构件，具有整体尺寸大、结构复杂、加工难度大和精度要求高的特点。如图 所示，舱门侧面为曲面，零件正面有多个封闭槽，槽内有开角和闭角结构，背面的结构主体为 个开放槽，零件的长度（即纤维方向）为 ，宽度为 ，高度为 。图 薄壁件零件结构零件材料采用 铝合金加工，标准为 ，毛料厚度为 英寸。零件侧壁厚度为非均匀分布，最薄处为 ，厚度公差为 。在加工过程中需避免刀具和工件之间产生振颤，同时需考虑切削过程中因变形而产生过切现象，使零件的尺寸超差。零件腹板面最小厚度为 ，厚度公差为 。双面加工零件腹板面积大，在加工过程中极易产生振动，造成表面质量差和厚度方向超差，因此，采用辅助支撑确保零件在加工过程中轴向稳定性。由于零件同时存在多 年第 卷 个精孔，除了保证孔的尺寸精度外，还需保证孔的位置度，这也是大尺寸整体结构件的加工难点。?确定数控加工方案?加工设备选择舱门零件净尺寸为 ，选择 铝合金作为加工毛料，系列舱门的整体结构为有一定弧度的弯框件。为符合生产要求，充分考虑材料利用率的合理化和最大化，选择两件成 组 的 排 料 方 式。毛 料 尺 寸 为 ，厚度为 英寸。舱门侧面为薄壁曲面，要求面轮廓度公差为 ，选择五坐标高速铣床进行加工。根据毛料大小和零件结构确定选取工作台为 的 数控铣削柔性生产线加工设备。数控铣切柔性生产线由 台虚拟轴高速加工中心、两个翻转台工作站和两个轨道运送车等构成，可以实现对装夹待产毛料的自动排产加工。根据生产计划要求设定一定优先级，通过中央控制室可以将缓存库中的毛料送入机床，完成自动加工，实现无人加工。柔性生产线的虚拟高速轴加工中心为 ，机床整体为水平主轴和垂直托盘结构。采用 并联床头，个平行线性轴传动组代替常规旋转轴，使主轴实现轴和 轴 的圆锥工作包络面的高动态五轴加工。该机床主轴的最大功率可达 ，最大转速 ，配备的自动换刀系统支持最大刀长为 ，平均换刀速度为 。?装夹方式设计舱门零件整体结构尺寸大，毛料为板材，形状规整，毛料厚度达 ，考虑到零件加工周期、经济效益及储存维护等方面因素，系列舱门零件不宜采用专用工装铣夹进行加工。在不使用特定工装装夹的情况下，采用翻转台工作站内原有的两种装夹方式：一种是虎钳装夹（见图 ），另一种是带有反把螺钉的真空装夹平台（见图 ）。图 虎钳装夹图 真空装夹平台虎钳平台零部件如图 所示。虎钳平台装夹采用 根相互平行的导轨依次安装在托盘平面上，导轨下端配备一定高度的不可拆卸固定钳口，导轨内部有凹槽滑道，动钳口螺钉松弛状态下可在滑道内部自由滑动。考虑到零件加工过程中需要加工通孔和螺纹孔，为避免加工过程中刀具、虎钳以及导轨相互碰撞，在原有导轨的基础上设计不同高度规格的垫块，并根据不同的毛料厚度选择相应的垫块。图 虎钳平台零部件虎钳定钳口高度为 ，定位平面采用梯字形锯齿平面来增大夹持力确保零件在加工过程中的稳定性。导轨右侧的等间距螺钉可以用来固定导轨上垫块的位置，同时也可以安装侧面挡块作为工件在虎钳 方向的定位基准。舱门零件的毛料厚度为 ，总质量为 ，为了保证一定的虎钳夹持力，尽可能增大夹持面积，故选用规格 的支撑垫块，使毛料垫起的高度小，毛料侧面与虎钳钳口的接触面积大，夹持更稳定。真空装夹平台（见图 ）可以看成由若干个独立的 独立单元拼接而成。如图 所示，每个独立单元由 个反把螺钉孔、个定位孔和 个真空抽气孔组成。真空平台的优点就是通过工件毛料上的定位孔和真空平台上的定位孔实现毛料安装的精准定位，同时在反把螺钉和真空吸附的双重固定工 具 技 术作用下可以使工件毛料被稳定地安装于平台，而工件毛料的侧面无夹持力，使得厚度相对较薄的毛料不会因侧面夹持力作用发生更严重形变。其缺点就是拉钉孔的距离和位置固定，在一定程度上限制了毛料尺寸。图 真空独立单元舱门零件整体结构尺寸较大，在纤维方向上容易产生变形，同时该薄壁件属于双面加工零件，腹板面积大，腹板两侧都有弯边和筋条等结构，而腹板最薄处为 。加工过程中如果不使用特定工装，加工最后阶段在无支撑腹板的情况下，刀具在轴向切削时会产生振动，造成腹板面凹凸不平，腹板厚度方向超差。由于舱门零件背面筋条较少，整体上可以分为个面积较大的平面区域，根据零件的外形特点，设计辅助支撑块如图 所示。可以在支撑块上隔离出独立真空区域，既保证工件轴向加工时的稳定性以及腹板平面尺寸，又可以通过真空吸附作用使毛料固定在真空平台上不发生晃动，减小机械加工引起的误差，进一步保证零件的加工质量。图 真空支撑块区域设置?刀具选择和切削参数确定在零件结构外形确定的情况下，加工刀具的直径、悬伸长度以及刀具的底角半径等尺寸参数主要受被加工零件结构影响和受机床自身参数限定，因此与机床匹配的刀具材质和结构选择尤为重要。机 床 主 轴 的 最 大 功 率 可 达 ，最大转速为 ，约为普通机床主轴功率的 倍。在其他条件都相同的情况下，刀具直径越大，主轴的切削功率越大，切削力会随之增大，同时产生的切削热也会增多，导致零件的变形效应增加，不利于产品质量的保证。舱门零件的结构尺寸大，粗加工时切削量大，金属去除率大，可以选用瓦尔特 硬质合金的盘铣刀进行加工，侧壁留 余量，腹板留 余量，对工件毛料进行初步加工。盘铣刀刀片可更换，经济性好，对于结构尺寸大、走刀路径简单的开场槽的加工十分高效。粗加工后，由于零件闭场槽和转角半径的限制，可以选用直径小于 、不同长度的硬质合金波纹刀进一步粗加工。舱门零件在一个封闭槽三角区域存在许多高缘条的薄壁结构，内侧壁高 ，闭角 ，侧壁厚度 ，两侧壁最小角度 ，转角半径 。由于加工区域狭小不利于刀具的排屑和散热，在转角加工过程中刀具的包络角最大，在高速加工过程中极易发生断刀现象，因此采用 钻头先在腔内加工尽可能多地钻孔，使腔内区域为实心结构，腔体成蜂窝状，大大减小后续加工刀具的切削力，避免出现断刀现象。对于零件结构复杂的区域，普通圆柱铣刀无法满足零件的加工需求，可以采用 的球头刀进行行切，根据实际需求选择刀路密度，从而保证零件的表面粗糙度合格。所选刀具如图 所示。（）盘铣刀（）粗加工波纹刀（）腹板精加工铣刀（）侧壁精加工铣刀图 不同种类的刀具根据零件的结构特点以及机床参数，同时考虑加工不同材料自身的性能条件，选用合理的切削参数。对于同一个零件的不同切削部位，在选用同一把刀具的情况下切削参数的选取也可能不同。粗加工去除大部分余量，同时精度要求不高，可以选用较大的切削参数提高效率，精加工则需要选取合适的参数，避免加工过程中的振颤和让刀现象。根据舱门零件的实际加工需求最终确定主要加工刀具的规格和参数，如表 所示。?加工工艺顺序合理的加工顺序能有效减小加工过程中内应力，从而使零件变形得到有效控制。对于舱门零件 年第 卷 的加工，采用从两侧到中间对称加工的铣削方式，即将工件在高度方向合理分层后，在每层的切削过程中先加工零件两侧型腔，再加工零件中间部分型腔，这种加工方式可以产生较少的加工内应力。仅从加工顺序改善内应力对零件变形的影响远远不够，为此在零件加工过程中，特别在去除材料较多的粗加工后，需要松开粗加工工件的装夹夹具进行泄力，从而释放粗加工过程中为对抗切削力而在毛料内部产生的内应力，同时卸下与工件完全断开的毛料料边，再二次装夹，对零件进行精加工。其应力释放效果如图 所示，根据加工顺序确定合理的加工流程（见图 ）。表 主要加工刀具选择及加工参数设定刀具规格直径和底齿数刃长下刀深刀具切削参数进给速度每齿进给量转速（）切削深度（）切削宽度（）粗加工 粗加工 精加工 粗加工 粗加工 粗加工 粗加工 精加工 精加工 精加工 精加工 图 应力释放效果图 工艺流程?结语本文阐述了航空铝合金薄壁件舱门零件加工变形的分析与控制，从实际情况出发，选用适合的机床、合理的切削刀具和切削参数，从粗加工到精加工采用合理的措施来控制零件变形。在高速铣削条件下的粗加工过程中，由于零件毛料去除量大，切削力大，从而在零件内部平衡切削力的力也相应增大，对零件变形影响较大，所以采用少量多次原则进行加工，减小零件变形。在精加工时，选择锋利的刀具可以减少刀具与工件摩擦所产生的阻力，提高刀具切削工件时的散热能力，从而减少工件的残余内应力，有效控制零件的变形。测量结果证明，应用舱门零件加工变形的控制方法能够有效保证零件的尺寸要求，确保产品质量，同时在其他相似类型航空铝合金大型结构件加工中具有很好的推广应用价值。参考文献 潘复生，张丁非 铝合金及应用 北京：化学工业出版社，任宇强，李国剑，白浩 大型薄壁硬质铝合金零件加工技术研究 工具技术，（）：张昱，廖宝梁，秦贞坤，等 薄壁零件高速铣削加工变形模型及变形规律研究 工具技术，（）：邓吟，杨昌林，景玲 铝合金薄壁件装夹变形分析和控制 机械研究与应用，（）：，第一作者：薛祥友，博士研究生，工程师，沈阳飞机工业（集团）有限责任公司，沈阳市 ：，（），工 具 技 术