大型異形鑄造鋁合金艙體精密加工技術(shù)研究

陳鵬強(qiáng) 翟學(xué)智 劉 明 金守榮 陳 明 劉玉斌

（航天科工哈爾濱風(fēng)華有限公司，哈爾濱150001）

1 引言

隨著飛航導(dǎo)彈產(chǎn)品的不斷升級與發(fā)展，越來越多的大型艙體正逐步由圓形結(jié)構(gòu)向異形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，薄壁異形結(jié)構(gòu)件的研究極大地增加了產(chǎn)品的應(yīng)用性能。但該類零件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，外形輪廓尺寸精度要求高，整體剛性差，特別是鑄造應(yīng)力和切削加工應(yīng)力產(chǎn)生的變形十分嚴(yán)重，切削加工過程中工件回彈大，讓刀、震顫現(xiàn)象明顯，給航空航天制造業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，極大地影響了產(chǎn)品競爭力與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，有必要開展大型異形鑄造鋁合金艙體精密加工技術(shù)研究。

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者開展了鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件加工技術(shù)研究。S.Ratchev 等人在2004年提出了一種低剛性結(jié)構(gòu)件銑削過程中誤差預(yù)測與補(bǔ)償技術(shù)，所創(chuàng)建的模型準(zhǔn)確性較高[1]。胡權(quán)威2013年提出了一種有限元正交優(yōu)勢分析方法，針對大型整體薄壁結(jié)構(gòu)件優(yōu)化銑削參數(shù)，減少銑削過程中零件產(chǎn)生的變形，試驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性[2]。蘇寶玉2014年提出了一種填充物輔助增強(qiáng)薄壁結(jié)構(gòu)件剛性的方法，大量試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)件的精密加工[3]。牛亞洲2016年分析了低應(yīng)力裝夾過程對鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件精密加工的影響，建立了綜合工件的有限元分析模型，得出了最優(yōu)的裝夾方案，實(shí)現(xiàn)了低應(yīng)力裝夾在精密加工中的應(yīng)用[4]。本研究以某型號導(dǎo)彈上大型異形鑄造鋁合金艙體為研究對象，建立了異形艙體的有限元仿真分析模型，歸納了艙體的數(shù)控加工切削參數(shù)，總結(jié)了加工過程中變形規(guī)律并制定相應(yīng)的解決措施，用以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

2 工藝分析

2.1 結(jié)構(gòu)特征

大型異形鋁合金艙體是某型號導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件中的重要組成部分，材料為ZL114A，I 類鑄件，熱處理狀態(tài)為T6，大端為直徑Φ1400mm 的圓形端框，小端為非圓異形截面結(jié)構(gòu)，輪廓外徑680 ～700mm，總長1050mm，錐度約20°，壁厚（典型）為3mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 艙體外形結(jié)構(gòu)圖

2.2 工藝難點(diǎn)分析

艙體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)外表面均需機(jī)械加工到位，材料去除量大，且95%以上區(qū)域均需采用銑削加工成型，鑄造應(yīng)力及銑削應(yīng)力產(chǎn)生的變形難以控制；艙體外形面輪廓度要求不大于0.3mm，圓形端框圓度要求不大于0.2mm，兩端面與軸心的垂直度要求不大于0.15mm，尺寸公差要求嚴(yán)格，難以保證；艙體壁厚僅3mm，整體剛性較差，加工過程中易出現(xiàn)震顫現(xiàn)象。

2.3 加工設(shè)備

針對艙體的尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用五軸龍門鏜銑加工中心MEGAMILL-HP5 進(jìn)行銑削加工，工作臺行程 5500mm×4000mm×1800mm ，重 復(fù) 定 位 精 度0.002mm，具有結(jié)構(gòu)剛性好、精度高的特點(diǎn)，能夠滿足異形艙體的銑削加工要求。

2.4 主切削力模型

主切削力是加工過程中產(chǎn)生變形的主要因素，有研究人員運(yùn)用統(tǒng)計分析方法計算出不同立式銑刀加工鋁合金結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的主切削力[5]，通過驗(yàn)證得出相應(yīng)數(shù)據(jù)，計算公式如下：

式中：Fc為主銑削力，aw為切寬大小，f為每齒進(jìn)給量，d為刀具直徑，ap為切削深度，Z為刀具齒數(shù)。

3 應(yīng)力均化處理技術(shù)研究

3.1 振動時效技術(shù)研究

振動時效（VSR）是在激振設(shè)備周期性外力的作用下，對工件施以循環(huán)載荷，使工件自身產(chǎn)生共振，進(jìn)而使其內(nèi)部發(fā)生塑性變形，消除并均化殘余應(yīng)力、穩(wěn)定工件尺寸精度的時效方式。振動時效工藝技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)有動應(yīng)力、激振頻率和振動時間[6]。

3.1.1 激振力的選擇

激振力是激振器偏心質(zhì)量模塊產(chǎn)生的離心力，可通過調(diào)節(jié)偏心距來調(diào)整激振力的大小。本研究按動應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和大于材料屈服極限以及動應(yīng)力小于材料的疲勞極限原則，選取動應(yīng)力大小為20MPa。

3.1.2 激振頻率的選擇

工件的諧振點(diǎn)有多個，其諧振頻率與工件質(zhì)量、支撐點(diǎn)位置有直接關(guān)系。本研究的振動時效機(jī)轉(zhuǎn)速從2000r/min 開始向上掃頻，直到8000r/min 極限為止，記錄每一處諧振點(diǎn)所對應(yīng)的頻率，選取加速度不低于15g 的兩個諧振點(diǎn)進(jìn)行時效。

3.1.3 振動時間的選擇

振動過程中，隨殘余應(yīng)力的消除，其動應(yīng)力、固有頻率和振幅等參數(shù)將發(fā)生變化，監(jiān)測參數(shù)的變化直至趨于穩(wěn)定，結(jié)合工件質(zhì)量、外形尺寸等選取振動時間為35min。

3.2 熱時效技術(shù)研究

該產(chǎn)品的材質(zhì)為ZL114A，T6 狀態(tài)，熱處理溫度為150～170℃，為了不改變材料的熱處理狀態(tài)，本研究將爐溫定為120℃，保溫時長10h，隨爐冷卻。

4 低應(yīng)力工裝技術(shù)研究

為了能夠提高工件的剛性，減小加工過程出現(xiàn)的震顫現(xiàn)象，對艙體裝夾方式進(jìn)行有限元仿真研究分析，將艙體小端固定，在大端端面施加載荷，發(fā)現(xiàn)艙體大端整體向外脹，異形面處最為明顯，針對薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計了低應(yīng)力裝夾工裝，如圖2所示。

圖2 低應(yīng)力裝夾工裝

圖3 不同裝夾方式下艙體變形量

通過調(diào)整工裝使隨形護(hù)板與艙體外形貼合，既能有效控制艙體變形量，又能防止艙體加工過程中出現(xiàn)震顫現(xiàn)象。對比壓板裝夾和低應(yīng)力工裝裝夾兩種方式艙體變形量如圖3所示，在大端外形面采取了8 個數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用壓板裝夾最大變形量為0.7mm，采用工裝裝夾最大變形量為0.3mm。

5 高效加工技術(shù)研究

5.1 工藝流程

合理安排工藝過程，經(jīng)過多道工序均勻去除余量，在工序間多次穿插振動時效和熱時效，無論從原材料內(nèi)部應(yīng)力或機(jī)加殘余應(yīng)力均逐步且均勻去除，能夠有效控制工件變形，工藝路線如圖4所示。

圖4 大型異形艙體加工工藝路線

5.2 高效加工技術(shù)

艙體外形與內(nèi)腔均為不規(guī)則曲面，每一點(diǎn)曲率均不同。加工外形面時，選擇直接D80R5 硬質(zhì)合金立銑刀，利用五軸聯(lián)動數(shù)控加工方法，刀具始終保持垂直于艙體型面，主軸轉(zhuǎn)速S為1500r/min，進(jìn)給率F為1000mm/min。

圖5 不同主切削力下艙體變形量

精銑內(nèi)型面時，選用直徑D20R5 的4 刃立式硬質(zhì)合金銑刀，采取了低應(yīng)力外撐輔助工裝，有效的提高工件剛性，防止加工過程中讓刀、震顫。研究主銑削力大小對變形量的影響，進(jìn)而控制切削加工參數(shù)，滿足質(zhì)量的前提下使加工效率達(dá)到最大化，通過在線檢測實(shí)時測量艙體變形量與主切削力之間的關(guān)系，如圖5所示。

當(dāng)主切削力達(dá)到15N 時，艙體變形量為0.25mm，滿足設(shè)計要求，最佳切削速度為1600mm/min，轉(zhuǎn)速為2500r/min，切寬10mm，切深2mm，技術(shù)指標(biāo)完成情況見表1，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

表1 艙體技術(shù)指標(biāo)完成情況

6 結(jié)束語

通過分析艙體工藝加工難點(diǎn)，制定了工藝加工流程，提出了應(yīng)力均化處理技術(shù)和低應(yīng)力工裝技術(shù)，研究結(jié)果表明：

a.振動時效時間為35min，熱時效爐溫120℃，保溫時間10h，能夠有效消除和均化內(nèi)部殘余應(yīng)力；

b.采用壓板裝夾工件最大變形量達(dá)到0.7mm，利用低應(yīng)力工裝輔助裝夾最大變形量僅0.3mm；

c.優(yōu)化了切削加工參數(shù)，分析了主切削力對變形量的影響，得出精銑內(nèi)腔轉(zhuǎn)速為2500r/min，切削速度1500mm/min，切寬10mm，切深2mm。

本研究經(jīng)過了3 個批次的驗(yàn)證，所加工產(chǎn)品均滿足技術(shù)要求，提高了企業(yè)的競爭力與經(jīng)濟(jì)效益，為此類大型異形鑄造鋁合金艙體精密加工提供了參考。