大切削量航空鋁合金零部件加工方法研究

徐伍剛，李 娜

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

目前航空裝備零部件向著輕量化發(fā)展，即材料在具備剛強(qiáng)度的同時，自身重量必須得到嚴(yán)格控制，某些關(guān)鍵部件對材料的比強(qiáng)度提出了近乎苛刻的要求[1]。鋁合金由于其具有比強(qiáng)度高、成形和加工性能好、耐腐蝕性能好等特點(diǎn)，作為非常重要的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，在大飛機(jī)結(jié)構(gòu)中占有很大的使用比例。而隨著飛機(jī)加工精度和輕量化指標(biāo)不斷提高，鋁合金數(shù)控加工技術(shù)顯得尤為重要[2]。在航空產(chǎn)業(yè)輕量化的發(fā)展過程中，航空鋁合金零部件在數(shù)控加工時切削量節(jié)節(jié)攀升，產(chǎn)品的高性能和精密化對數(shù)控加工技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。高速切削技術(shù)具有加工效率高，切削負(fù)荷低、傳入工件的切削熱少及加工變形小等顯著優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)90年代中期已成功應(yīng)用于航空制造業(yè)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。大飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中有很多是薄壁件及難加工材料，掏空率較高，大部分都在90%以上，零部件的尺寸精度和表面粗糙度質(zhì)量要求較高，在加工過程中極易產(chǎn)生變形，高速切削加工飛機(jī)薄壁零件有助于降低切削力，減小切削變形，切屑可帶走大部分切削熱，使制品的表面質(zhì)量得到很好控制。

1 產(chǎn)品加工要點(diǎn)分析

此型號航空座椅基礎(chǔ)尺寸數(shù)據(jù)如圖1所示，采用7075合金板材進(jìn)行加工，經(jīng)過理論計算，其掏空率高達(dá)93%以上。因此，產(chǎn)品經(jīng)加工后具有如下問題：(1)由于掏空率較大，產(chǎn)品在加工過程中或精加工完成后出現(xiàn)較大的尺寸變形。(2)產(chǎn)品部分位置壁厚如圖2所示，由于壁厚較薄易出現(xiàn)加工震刀，進(jìn)而影響表面加工質(zhì)量及后續(xù)表面處理工作。(3)在半精加工階段，若直接采用與零件夾持加工，則在加工過程中，由于刀具加工震顫，零件與夾具相互摩擦，影響加工表面質(zhì)量及后續(xù)表面處理工作。

圖1 航空座椅平面示意圖Fig.1 Plane sketch of aviation seat

圖2 震刀位置示意圖Fig.2 Location schematic diagram of vibration blade

2 試制控制方案

根據(jù)上述產(chǎn)品加工要點(diǎn)分析，設(shè)定如下過程控制方案：

(1)原材料控制。經(jīng)過加工預(yù)料推算，毛坯板材規(guī)格為6500mm×372mm×29mm。為控制材料加工變形，合金狀態(tài)采用7075-TX51狀態(tài)，其中拉伸量控制采用標(biāo)距法，即在未拉伸板材上面畫米刻度線，在張力矯直階段進(jìn)行在線實(shí)際測量張力矯直量，以達(dá)到1%～3%狀態(tài)拉伸要求。

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，成分應(yīng)符合GB/T 3190標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品質(zhì)量符合GB/T 6892標(biāo)準(zhǔn)要求，為減少加工過程余量控制和毛坯制造的可行性，毛坯尺寸依照GB/T 14846-高精級執(zhí)行。根據(jù)截面尺寸形狀和產(chǎn)品質(zhì)量要求，毛坯生產(chǎn)采用125MN單動正向高精度擠壓設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。并選用16.5m 1級D類儀表的立式淬火爐和Nabertherm 1級D類儀表的時效爐進(jìn)行作業(yè)，熱處理用以參照AMS 2772標(biāo)準(zhǔn)要求，以滿足材料性能要求。

(2)半精加工和精加工震刀控制。根據(jù)加工零件特點(diǎn)及工藝過程，板料半精加工后，對刀具長度進(jìn)行控制，增加刀具整體剛度，即在實(shí)際生產(chǎn)過程中控制必須短刀漏出33mm～38mm。

(3)裝夾及表面控制。板料在半精加工階段設(shè)計工藝凸臺與工作臺進(jìn)行固定(圖3)，提高零件與工作臺固定的整體剛度，防止零件在加工過程中出現(xiàn)平面位移，同時避免了工裝與半精加工零件直接接觸產(chǎn)生表面摩擦氧化現(xiàn)象。

圖3 零件粗加工工藝臺設(shè)計示意圖Fig.3 Schematic diagram of rough machining process table for parts

在精加工階段，采用仿形尼龍塊進(jìn)行夾持固定，對工藝凸臺部分進(jìn)行精加工。這樣既保證了材料的加工精度，同時減少裝配過程因夾持和震動產(chǎn)生的摩擦。根據(jù)工藝過程分析，在粗加工階段采用協(xié)鴻三軸精密數(shù)控加工中心進(jìn)行加工。在半精加工和精加工階段采用馬扎克五軸高精度加工中心進(jìn)行加工。完成加工后采用三坐標(biāo)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際尺寸測量。

(4)為驗(yàn)證控制方案正確性，測試性數(shù)據(jù)至少為3點(diǎn)或以上，加工零件至少3支或以上，所有指標(biāo)需均滿足圖紙及標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 試制結(jié)果

(1)原材料試制結(jié)果。原材料經(jīng)檢測，其性能、低倍和高倍組織如圖4所示，可以看出，原材料無裂紋，組織良好，且性能完全滿足產(chǎn)品要求。

圖4 原材料檢測結(jié)果Fig.4 Raw material test results

(2)零件加工試制結(jié)果。經(jīng)加工后，零件實(shí)際如圖5所示，且經(jīng)過三坐標(biāo)設(shè)備測量后，產(chǎn)品零件尺寸滿足圖紙及標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 試制分析

(1)原材料工藝對加工變形控制分析。航空鋁合金由于在淬火過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，致使在板材內(nèi)部形成殘余應(yīng)力，冷卻速率越快，內(nèi)應(yīng)力越大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，淬火板材金屬表面首先由于極冷而產(chǎn)生快速收縮，隨著板材內(nèi)層金屬冷卻收縮，最終淬火后的板材應(yīng)力分布特點(diǎn)為板材表面為拉應(yīng)力，板材內(nèi)層為壓應(yīng)力(圖6(a))。

圖5 加工完成零件Fig.5 Finished parts

圖6 應(yīng)力分布圖 Fig.6 Stress distribution diagram

淬火后板材，經(jīng)過塑性張力拉伸矯直過程中，受到長度方向的拉伸應(yīng)力，且由于材料在受力過程中隨著拉伸力值增加，材料由彈性階段向塑性階段轉(zhuǎn)變。因此，淬火后板材內(nèi)部殘留有拉應(yīng)力，在矯直過程中先產(chǎn)生塑性變形，但基于整體性表層金屬限制內(nèi)層金屬變形，使得表層金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)層金屬產(chǎn)生壓應(yīng)力(圖6(b))。當(dāng)外力去除后，板材彈性應(yīng)變松弛，此時板材中殘余應(yīng)力就將是淬火后板材中的殘余應(yīng)力與拉伸矯直變形時所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力之差(圖6(c))。因此，即使板材因外界條件變化破壞了內(nèi)應(yīng)力的動平衡，但因張力矯直過程較少材料內(nèi)部參與應(yīng)力，使機(jī)加工過程減少甚至消除了材料的扭擰和翹曲變形，從而保證材料尺寸精度[3]。

(2)加工過程控制分析。在半精加工和精加工階段，為減少震刀幾率采用短刀進(jìn)行加工，提高了銑削刀具整體剛度。同時，在半精加工階段，采用多點(diǎn)位工藝凸臺和螺釘與工作臺相連，提高了零件固定剛度(圖7)，使得零件在半精加工階段在空間方向具有良好的位移限制，進(jìn)一步提高了加工效率，進(jìn)而提高材料加工過程中的進(jìn)給量和加工轉(zhuǎn)速以獲得良好的加工表面質(zhì)量。在實(shí)際過程中，進(jìn)給量可達(dá)3000mm/min以上，轉(zhuǎn)速高達(dá)10000r以上。

圖7 半精加工后工藝凸臺Fig.7 False boss after semi-finishing process

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過試驗(yàn)，原材料采用TX51狀態(tài)可減少甚至消除零件加工過程產(chǎn)生的扭曲變形。

(2)在半精加工和精加工階段，采用短刀加工可良好控制震刀現(xiàn)象，且漏出高度為33mm～38mm。

(3)通過加工工藝凸臺設(shè)計，可在半精加工階段良好的控制零件在加工過程中的位移。在實(shí)際過程中，進(jìn)給量可達(dá)3000mm/min以上，轉(zhuǎn)速高達(dá)10000r以上，且避免了工裝夾具與成品零件的直接接觸，避免了在加工階段零件與工裝因震動和摩擦產(chǎn)生氧化。