飛機鋁合金薄壁件腹板數(shù)控加工質(zhì)量改進(jìn)措施

蒲昌蘭，劉衛(wèi)武，羅志勇

（中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司結(jié)構(gòu)件廠，成都 610092）

0 引言

隨著對飛機性能要求的不斷提高，整體鋁合金薄壁零件由于重量輕、強度高等結(jié)構(gòu)特點，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空制造領(lǐng)域。薄壁零件主要是指壁厚≤2mm的零件，零件結(jié)構(gòu)輪廓復(fù)雜、剛度較低、加工余量較大[1]。很多學(xué)者和機構(gòu)對薄壁零件的側(cè)壁和腹板加工的方法進(jìn)行了深入的研究探討，普遍采用高速切削加工來滿足要求。雖然先進(jìn)的設(shè)備可以達(dá)到很高的精度，但是由于薄壁零件材料去除率高，實際加工中無論在高速切削狀態(tài)，還是低速切削狀態(tài)下，零件都不可避免的產(chǎn)生變形和振動，導(dǎo)致加工誤差，很難保證尺寸精度和表面質(zhì)量要求。而對于加工形成的振紋及粗糙度等表面質(zhì)量問題，一般都要由鉗工打磨修整，以保證厚度尺寸及表面粗糙度要求，嚴(yán)重影響了數(shù)控加工的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。而腹板作為薄壁結(jié)構(gòu)件的一個重要特征，加工難度大，在實際制造中其加工質(zhì)量問題尤為突出。

本文在長期的實踐加工摸索基礎(chǔ)上，對薄壁零件腹板數(shù)控加工進(jìn)行總結(jié)分析，并提出了系列控制零件變形，改善腹板加工質(zhì)量的工藝改進(jìn)措施，具有實際指導(dǎo)作用。

1 腹板加工質(zhì)量影響因素

飛機鋁合金薄壁零件主要采用將整塊板料“雕刻”的方式加工，材料去除量一般在80%以上，加工余量大。薄壁零件在切削加工過程中，特別是粗加工時，產(chǎn)生較大的切削力和切削熱，使零件產(chǎn)生較大的受力變形和熱變形。另外，在加工過程中，經(jīng)過材料的去除，毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力平衡遭到破壞，零件內(nèi)部應(yīng)力重新分布以達(dá)到新的平衡，從而導(dǎo)致工件變形[2]。因此控制和減小薄壁零件數(shù)控加工中的變形是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

在薄壁零件加工過程中，由于零件自身剛度的不足，切削受力變形，裝夾變形及壓緊元件拆除回彈引起的變形，影響了零件腹板數(shù)控加工質(zhì)量，甚至造成腹板尺寸超差報廢。因此，從數(shù)控機械加工工藝角度分析，影響薄壁件腹板加工質(zhì)量的因素主要包括零件工藝方案設(shè)計、裝夾及定位方式、加工刀具、加工順序，走刀軌跡，以及機床設(shè)備等幾個方面，如圖1所示。

圖1 腹板加工質(zhì)量影響因素

2 腹板加工工藝改進(jìn)措施

2.1 工藝方案改進(jìn)

首先，分析零件的結(jié)構(gòu)特點及工藝特性，確定加工流程、裝夾方式等工藝方法，工藝方案設(shè)計的優(yōu)劣直接影響零件后續(xù)加工過程中零件加工的穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。

針對需雙面加工的結(jié)構(gòu)零件常用的有兩種工藝方案，第一種是第一面直接粗、精加工到位，再加工第二面的方法，加工流程如圖2所示。第二種是先分別完成第一面和第二面粗加工，再分別完成第一面和第二面精加工，粗加工階段去除大余量，釋放材料殘余應(yīng)力，再進(jìn)行精加工，減小零件變形影響，加工流程如圖2所示。對于零件輪廓尺寸較小且自身剛度較好的零件，一其般選用第一種方案加工，零件變形對加工過程的影響較小，且不影響最終的零件質(zhì)量，腹板精度都能得到較好保證，而且可減少重復(fù)裝夾次數(shù)，節(jié)約加工時間。對于零件輪廓尺寸較大的薄壁類零件，若采用第一種方案加工，在加工完第一面后，零件變形嚴(yán)重，腹板易發(fā)生翹曲變形，此時第二面尚未加工，很難通過校形工藝減小變形量，造成在后續(xù)第二面腹板加工的厚度不均勻，表面質(zhì)量較差。通過反復(fù)的實際加工驗證，薄壁類零件更適合采用第二種方案加工。

圖2 零件加工工藝方案

其次，工藝方案要考慮加工過程中的剛度變化，盡量增加零件在加工過程中的剛度，就需要明確腹板與側(cè)壁的先后加工順序，這在薄壁件的加工中也至關(guān)重要。當(dāng)零件結(jié)構(gòu)本身剛度較好時，先加工腹板，還是先加工側(cè)壁，零件加工中的剛度變化小，不影響側(cè)壁和腹板的加工質(zhì)量。而對于薄壁件來說，特別是需雙面加工零件，由于腹板懸空，支承點少，在加工過程中要保證腹板的質(zhì)量，必須保證零件有足夠的剛度，所以一般來說，零件粗加工完后，應(yīng)先精加工腹板，此時側(cè)壁留有加工余量，零件剛度較好，可減少因零件剛度不足引起的加工變形加，最后精加工側(cè)壁。

在實際加工中，根據(jù)實際條件及零件結(jié)構(gòu)特點應(yīng)綜合利用上述幾種方法制定腹板加工方案，以期達(dá)到最好的效果。

2.2 定位裝夾工藝改進(jìn)

1）定位方式

一面兩孔的定位是生產(chǎn)中最常用的一種定位方式，其定位準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡單可靠，裝卸零件方便。目前我們采用的定位結(jié)構(gòu)如圖3所示，從理論上分析，圓柱銷1限制X、Y方向的移動自由度，圓柱銷2限制X方向移動和Z向轉(zhuǎn)動的自由度，兩個圓柱銷重復(fù)限制了X方向移動的自由度，存在過定位，由于定位孔中心距和孔徑存在制造誤差，同一批零件很有可能發(fā)生圓柱銷干涉，零件無法正常安裝的情況。同時，在實際加工中，由于粗加工后零件變形量大，采用這種定位方式，加工后經(jīng)常導(dǎo)致圓柱銷取出困難，強行取出后第二次裝夾和第一次裝夾的偏差大，甚至沒辦法用原來的定位孔定位，零件后續(xù)加工工序不能正常進(jìn)行。

為了消除X方向移動的過定位，并充分考慮零件變形的影響，可采取改變圓柱銷形狀和工裝底孔形狀的措施來解決問題。圖4所示為把圓柱銷2改成菱形銷，圖5所示為把工裝底孔由圓形改成橢圓形，這兩種方法都可以用來補償X方向的孔中心距誤差，保證零件重復(fù)裝夾準(zhǔn)確性和可靠性，同時減少加工過程中零件變形的影響。

圖3 兩圓柱銷定位結(jié)構(gòu)

圖4 圓柱銷和菱形銷 定位結(jié)構(gòu)

圖5 兩圓柱銷帶橢圓底孔 定位結(jié)構(gòu)

2）裝夾工藝

薄壁零件在加工過程中的剛度直接影響其加工質(zhì)量，剛度不僅受到零件自身結(jié)構(gòu)的影響，還與裝夾工藝方案密切相關(guān)。一個好的裝夾工藝方案不僅能提高零件在加工過程中的剛度，還能減少裝夾變形。

從零件裝夾方案考慮，提高零件加工過程的剛度有兩種方法，一是使用填充物，在零件內(nèi)部填充石蠟、石膏等物質(zhì)來加固零件，這種方法雖然能起到一定作用，但是很不穩(wěn)定，完全依靠操作者的加工經(jīng)驗，操作時間長，有時候加工完后會對零件有一定的腐蝕。二是增加支承面的接觸面積，減小腹板懸伸長度，利用面積較大的腹板面作為支承面，可保證腹板面的加工質(zhì)量。

對薄壁零件加工，裝夾引起的零件變形不容忽視。壓板和螺栓壓緊是在夾具中采用最多的壓緊方式之一，在現(xiàn)有的加工模式下，雖然零件上預(yù)留了壓板壓緊的凸臺位置，但由于操作習(xí)慣不同，每次裝夾壓板的位置，壓板懸伸長度，壓板的數(shù)量都不完全相同，傳遞的壓緊力大小也不同，導(dǎo)致同類零件的加工質(zhì)量差別較大。為了避免壓板壓緊位置的不固定性，可采取下面兩種方法進(jìn)行改進(jìn)。一是使用螺栓壓緊，在零件和墊板上的規(guī)定位置預(yù)先制出壓緊孔，二是使用專用夾具，在專用夾具上配置固定的壓緊元件，每次裝夾壓緊的位置相對固定，保證零件裝夾的一致性。與此同時，應(yīng)注意壓緊位置數(shù)量的分配，零件壓緊位置布置越少，壓緊零件所需局部壓緊力越大，很容易在局部增大零件的變形，影響腹板加工質(zhì)量。因此，在保證零件有足夠壓緊力的條件下，應(yīng)增加壓緊位置的數(shù)量，以減小單個壓緊位置的壓緊力，保證在整個零件上有均布的壓緊力。另外，還需要注意壓緊位置的選擇，盡量選在剛度好的位置壓緊，比如零件上有筋條相連的結(jié)構(gòu)處。

在制定薄壁類零件的具體裝夾工藝時 ，應(yīng)綜合效率和質(zhì)量因素，充分考慮零件的壓緊位置及數(shù)量，盡量均勻布置壓板或螺栓，并適當(dāng)增加壓緊數(shù)量，減小單個壓緊力，用以減小裝夾引起的變形。因此，薄壁零件的裝夾應(yīng)優(yōu)先選用專用夾具，準(zhǔn)確的給出壓緊位置，方便操作，獲得穩(wěn)定的裝夾性能，一般選用真空吸附類夾具，腹板作為支承面，吸附面積大，產(chǎn)生的吸附力較小，分布均勻，可減小薄壁零件加工中的裝夾變形，但為了保證裝夾的可靠性，應(yīng)采用均布的螺栓或壓板進(jìn)行輔助壓緊。

2.3 切削刀具的選擇

加工中產(chǎn)生的切削力是零件腹板變形的主要影響因素之一，而切削力的大小與刀具的結(jié)構(gòu)、尺寸關(guān)系密切。刀具直徑與刀具徑向力有關(guān)，直徑越大，徑向力越大，而刀具底角R影響刀具軸向切削力，不同的底角R，軸向分力也不同，圖6為刀具軸向分力示意圖。腹板銑削加工時，在軸向切削力的作用下容易彎曲變形。

為了驗證不同底角R對腹板加工質(zhì)量的影響，我們對直徑φ20mm，底角分別是R3,R1,R0.5三種規(guī)格的刀具在相同條件下進(jìn)行切削試驗，加工余量0.5mm，結(jié)果顯示R3刀具加工表面接刀棱較深，R1刀具次之，而R0.5刀具加工后的表面接刀棱最淺。由此驗證了刀具底角半徑R越大，軸向作用力越大，加工表面質(zhì)量越差。所以在進(jìn)行薄壁零件腹板加工時，應(yīng)盡量選擇底角R較小的刀具，減小切削力的影響，保證腹板加工質(zhì)量。

圖6 軸向分力示意圖

3 加工順序及刀具軌跡優(yōu)化

3.1 加工順序

圖7 多框零件腹板加工順序

加工過程中優(yōu)化腹板各區(qū)域的的加工順序，可有效控制腹板的變形量，確定加工順序的總體原則是在加工過程中最大限度的保持零件的剛度處在最佳狀態(tài)，并先加工最薄弱的區(qū)域。根據(jù)材料力學(xué)原理，腹板加工工藝系統(tǒng)可簡化為簡支梁和懸臂梁模型，在簡支梁的中部，懸臂梁的遠(yuǎn)端的變形最大，剛度較差，因此，在進(jìn)行多框薄壁類零件腹板加工時應(yīng)首先加工中間框腹板以及沒有支承面或遠(yuǎn)離支承面的腹板區(qū)域，再加工外側(cè)腹板面。圖7為多框薄壁零件腹板加工順序示意，按圖示順序號加工各框腹板，中間的腹板最薄弱，需最先加工，最后加工其余框的腹板，其中外側(cè)的第4和17框為薄弱區(qū)域，也要優(yōu)先加工，這樣可有效提高加工過程中零件的剛度，減小加工振動影響。

3.2 刀具軌跡

腹板加工中，不同的刀具軌跡產(chǎn)生的切削力，以及對零件在加工過程中的剛度影響程度不同，產(chǎn)生的變形也存在差異。根據(jù)機床選擇合理的刀具路徑，能提高腹板的表面質(zhì)量。

首先，選擇合適的進(jìn)刀方式，盡量采用沿輪廓的切向或斜向切入的方式緩慢切入零件，保證刀具軌跡光順平滑。所以，薄壁零件的進(jìn)刀優(yōu)先采用螺旋或圓弧進(jìn)刀，避免垂直進(jìn)刀，使刀具逐漸切入零件，減小振動，刀具不會在工件表面的進(jìn)刀處留下駐刀痕跡，從而獲得較高的表面質(zhì)量。實際定制軌跡時，也常使用斜線進(jìn)刀，角度應(yīng)盡量小。

其次，在切削過程中選擇合適切削軌跡，腹板加工的走刀方式一般有兩種，環(huán)切方式和行切方式。環(huán)切方式一般是從框的中間位置下刀，由中間向四周環(huán)切至側(cè)壁，加工過程中都是順銑，受力變化小，切削平穩(wěn)，在實際加工中環(huán)切加工腹板的方式得到了很好的運用。而對于行切加工方式，大多數(shù)理論分析表明，該方式是順銑和逆銑交互加工，腹板受力方向不斷變化，容易引起振動，相鄰刀軌之間的刀痕較深，表面質(zhì)量不如環(huán)切方式好，也很少在腹板的精加工中運用。但是受到機床設(shè)備精度的影響，采用環(huán)切加工時，切削軌跡轉(zhuǎn)向時主軸減速嚴(yán)重，在加工中出現(xiàn)短暫的停頓，使得在切削軌跡方向改變的位置留下圓形駐刀痕跡，影響腹板的加工精度，需要鉗工打磨去除。針對該問題，我們在零件上進(jìn)行了加工對比試驗。

圖8 腹板加工不同走刀軌跡產(chǎn)生的駐刀痕跡位置對比

分別采用環(huán)切和行切方式對腹板進(jìn)行了加工試驗，結(jié)果顯示，環(huán)切方式加工時，在刀軌的對角線以及環(huán)間移刀位置均出現(xiàn)駐刀痕跡，幾乎覆蓋整個腹板，如圖8(a)所示。行切方式加工后，僅在筋條根部留下一圈駐刀痕跡，若在行切后再增加一個清根的刀具軌跡，則整個腹板僅在零件轉(zhuǎn)角處留下少量駐刀痕跡，如圖8(b)所示。試驗結(jié)果表明采用行切與清根結(jié)合的走刀軌跡可有效減少駐刀痕跡的出現(xiàn)。另一方面，對試驗零件進(jìn)行了粗糙度檢查，實際測得腹板的粗糙度值在Ra3.2左右，而航空零件的表面粗糙度要求一般為Ra6.3,完全符合零件的粗糙度要求。根據(jù)試驗結(jié)果，把行切加工方式成功應(yīng)用到零件的腹板精加工中，獲得了較好的效果。所以，在實際加工中，可根據(jù)機床精度要求，合理的選擇行切加工軌跡，并具有一定的優(yōu)勢。

最后，優(yōu)化刀具軌跡轉(zhuǎn)向以及環(huán)間移刀的過渡形式，減小切削過程中的切削力突變。一般的程編軟件中默認(rèn)是直角的過渡形式，當(dāng)?shù)毒甙匆欢ǖ倪M(jìn)給速度運動到此位置時，切削力會突然改變，不但影響刀具使用壽命，還降低了表面質(zhì)量。因此，薄壁腹板加工中，所有刀軌應(yīng)圓滑過渡，在轉(zhuǎn)角處增加適當(dāng)圓角，環(huán)間的移刀增加圓弧過渡，如圖9所示，提高表面加工精度。

圖9 刀具軌跡轉(zhuǎn)角和環(huán)間移刀圓角過渡示例

4 結(jié)論

本文從機械加工工藝角度出發(fā)，分析了加工工藝方案，定位裝夾工藝，刀具軌跡和加工順序等對薄壁零件腹板加工質(zhì)量的影響，并從這幾個方面提出了改進(jìn)措施，提高零件加工過程中的剛度，保證腹板的加工質(zhì)量。結(jié)合理論分析結(jié)果，對薄壁零件的工藝方案，裝夾工藝，刀具軌跡及加工順序進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用于薄壁零件實際加工，經(jīng)過反復(fù)試驗和加工驗證，收到了良好的效果，有效提高了腹板的數(shù)控加工質(zhì)量，減少了鉗工對腹板的打磨。

[1] 汪通悅,何寧,李亮.薄壁零件銑削加工的振動模型[J].機械工程學(xué)報,2007,43(8):22-25.

[2] 高翔,王勇.薄壁零件精密數(shù)控銑削關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機床與液壓,2009,37(9):14-17.