一種型腔腹板類(lèi)零件的加工工藝分析與仿真優(yōu)化

劉松良

(海裝沈陽(yáng)局駐沈陽(yáng)地區(qū)第一軍事代表室，沈陽(yáng) 110034)

近年來(lái)航空工業(yè)持續(xù)發(fā)展，飛機(jī)中各產(chǎn)品的性能指標(biāo)在不斷提高，各零部件越來(lái)越趨于薄壁化、整體化。薄壁整體結(jié)構(gòu)件具有重量輕、堅(jiān)固性好、疲勞強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是飛機(jī)骨架和空氣動(dòng)力學(xué)外形的重要組成部分。目前，飛機(jī)上許多型腔腹板類(lèi)零件，如框架、梁、肋以及壁板等均為薄壁整體結(jié)構(gòu)，這類(lèi)型腔腹板類(lèi)零件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用越加廣泛，并且發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。型腔腹板類(lèi)零件大多采用剛性較弱的金屬材料，并且該類(lèi)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常包含多個(gè)型腔、超薄筋條、槽腔腹板、通孔以及凸臺(tái)等結(jié)構(gòu)，故而一般采用數(shù)控銑削加工。這種結(jié)構(gòu)雖有較多優(yōu)點(diǎn)，但其剛性相對(duì)較低，在零件加工過(guò)程中裝夾力、切削力、切削熱、切削振動(dòng)等因素均容易引起零件出現(xiàn)變形以及壁厚不均勻等現(xiàn)象，導(dǎo)致型腔腹板類(lèi)零件的加工難度大、成形零件的精度難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求并伴有其它問(wèn)題。型腔腹板類(lèi)零件的加工問(wèn)題成為航空零件加工中的瓶頸問(wèn)題。

現(xiàn)階段，我國(guó)在較大型型腔腹板類(lèi)整體件的加工方法領(lǐng)域還處于摸索階段，缺少經(jīng)驗(yàn)。 近幾年國(guó)內(nèi)外許多研究人員分別從不同角度對(duì)銑削加工過(guò)程中引起零件變形的加工工藝進(jìn)行了研究分析。武漢華中數(shù)控股份有限公司的研究人員通過(guò)高速銑削加工試驗(yàn)，通過(guò)選擇高速加工工藝和操作方法來(lái)解決常規(guī)切削加工中工件變形以及表面質(zhì)量差等問(wèn)題[1]；上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院的研究人員通過(guò)對(duì)比分析不同走刀路徑下多型腔薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工后的變形程度，得出了走刀路徑與工件變形之間的關(guān)系[2]；吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院的研究人員基于有限元仿真分析方法，分析研究了工件裝夾方式、走刀路徑和材料殘留等因素對(duì)薄壁件加工變形產(chǎn)生的影響[3]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文從另一個(gè)角度提出了一種基于廣義槽層切法的新型銑削加工的工藝方法，并針對(duì)幾種不同結(jié)構(gòu)提出了具體加工方式，探索了一種可靠性高、技術(shù)性強(qiáng)、通用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的型腔腹板類(lèi)零件加工方法，達(dá)到解決型腔腹板類(lèi)零件加工過(guò)程中易變形、精度低等問(wèn)題的目的，為相關(guān)制造企業(yè)改進(jìn)工藝和提高加工效率提供技術(shù)參考。

1 國(guó)內(nèi)外航空制造技術(shù)發(fā)展概況

中國(guó)航空工業(yè)的制造技術(shù)起步較晚，目前大部分仍以傳統(tǒng)制造技術(shù)為主，特別是在飛機(jī)薄壁結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)加工上，仍采用傳統(tǒng)的鋁合金零件編程方式以及工藝技術(shù)。在傳統(tǒng)鋁合金零件的加工制造中，主軸轉(zhuǎn)速為1 500～1 800 r/min，進(jìn)給速度為350～500 mm/min。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的薄壁結(jié)構(gòu)構(gòu)件，主軸轉(zhuǎn)速一般為600～800 r/min，進(jìn)給速度一般為100～200 mm/min。近年來(lái)，中國(guó)的航空工業(yè)發(fā)展迅速，幾家主要飛機(jī)制造廠投入大量資金，引進(jìn)先進(jìn)的大型高速加工設(shè)備。目前，我國(guó)的高速切削已達(dá)到主軸轉(zhuǎn)速8 000～24 000 r/min、切削速度1 000～1 500 m/min、進(jìn)給速度1～5 m/min、單速達(dá)10 m/min、切削去除率40～90 cm3/min的水平，設(shè)備的高速化和自動(dòng)化水平基本上與發(fā)達(dá)國(guó)家相當(dāng)[4-5]。然而，由于缺乏對(duì)高速加工技術(shù)的支持，在許多情況下一些高速數(shù)控機(jī)床仍然以與普通機(jī)床相同的方式使用，沒(méi)有達(dá)到高速、高效、高精度的生產(chǎn)狀態(tài)。顯然，與發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用相比，仍然存在一定的差距[6-7]。

歐洲以及美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視航空零件的加工變形問(wèn)題。美國(guó)浪潮公司依賴(lài)于密歇根大學(xué)等幾所世界知名大學(xué)，在政府和軍工集團(tuán)的支持下，聯(lián)合研發(fā)出可以有效地壓制整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形過(guò)程的參數(shù)優(yōu)化理論與有限元仿真軟件。法國(guó)巴黎航空航天工業(yè)研究所與國(guó)家航空航天局共同建立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)制造航空航天器的整體結(jié)構(gòu)部件，并深入研究過(guò)程控制和加工變形的校正問(wèn)題，但是關(guān)于此方面公開(kāi)資料較少。J.Tlusty等人提出了一種刀軌優(yōu)化方案，該方案借助零部件未加工部分作為薄壁零件的變形支撐，充分利用零部件的剛度，從而達(dá)到有效控制變形的目的。Haruki等提出在薄壁結(jié)構(gòu)的空腔內(nèi)注入低熔點(diǎn)合金，借此來(lái)提高工件剛度，有效地減少了加工變形[8]。 Ratchev等人對(duì)切削力和切削熱引起的變形進(jìn)行研究，提出了切削力模型。Nervisebastian根據(jù)坯料初始?xì)堄鄳?yīng)力引起的加工變形，構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，并給出了坯料的初始應(yīng)力分布以及最終變形[7,9]。Keith A.Young使用數(shù)值模擬和化學(xué)銑削相結(jié)合的方法對(duì)加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)加工變形的影響進(jìn)行了研究，得到刀具引入的殘余應(yīng)力和變形與刀尖半徑、刀沿半徑密切相關(guān)的結(jié)論，研究報(bào)告中指出，由于許多航空航天器薄壁結(jié)構(gòu)件壁厚小于2毫米，因此銑削工件引入的殘余應(yīng)力不可忽略不計(jì)[10-11]。

2 腹板零件工藝性分析

2.1 零件特點(diǎn)

飛機(jī)中的薄壁整體結(jié)構(gòu)件大多位于機(jī)身的前部和中部，并且大多是用于連接前、后機(jī)身的重要結(jié)構(gòu)部件。本文以飛機(jī)壁板零件為例，如圖1所示，該零件外輪廓尺寸為660 mm×230 mm×38 mm，腹板的厚度和肋的厚度均為2 mm，肋的高度為36 mm，加工后的金屬去除率為92%。該零件為鋁合金件，且內(nèi)部存在很多薄腹板結(jié)構(gòu)，在銑削加工過(guò)程中不易保持穩(wěn)定，易產(chǎn)生振動(dòng)，最終導(dǎo)致零件變形，使加工出的零件存在不符合標(biāo)準(zhǔn)以及裝配精度的問(wèn)題，因此數(shù)控加工的精度將直接影響成品的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。

圖1 飛機(jī)壁板零件三維圖

2.2 加工工藝分析

該零件加工工藝方案路線(xiàn)如圖2所示。粗加工后中筋條側(cè)壁和腹板側(cè)壁的分別留有約1 mm和2 mm的余量，防止整體加工到尺寸，零件產(chǎn)生加工應(yīng)力變形，造成零件的報(bào)廢。

薄壁整體零件特有的工藝特點(diǎn)是零件加工過(guò)程中難以避免產(chǎn)生翹曲、毛刺等現(xiàn)象，現(xiàn)有的成形加工方法無(wú)法有效控制零件的加工變形，不能保證產(chǎn)品零件的尺寸以及平面度等精度要求，最終會(huì)產(chǎn)生廢品，導(dǎo)致原材料的大量浪費(fèi)。因此，我們需要探索行之有效的新工藝和新方法，在現(xiàn)有的成形加工方法的基礎(chǔ)上優(yōu)化數(shù)控加工策略來(lái)解決這些問(wèn)題，達(dá)到提超薄壁整體結(jié)構(gòu)件的加工效率和加工質(zhì)量的目的。

圖2 零件加工工藝方案路線(xiàn)圖

3 腹板類(lèi)零件的加工工藝優(yōu)化

為了避免薄壁整體零件加工過(guò)程中產(chǎn)生翹曲、毛刺等現(xiàn)象，采取廣義槽層切法，以避免在零件筋頂精加工、超薄筋條精加工、薄腹板精加工以及轉(zhuǎn)角精加工產(chǎn)生應(yīng)力集中變形等現(xiàn)象。

3.1 廣義槽層切法的應(yīng)用

廣義槽層切法[12]，即分層銑削加工，對(duì)加工的毛坯零件以定量、分層的方式進(jìn)行銑削加工，如圖3所示。由于該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故本文僅對(duì)該零件正面采用廣義槽層切法進(jìn)行加工演示介紹。

以圖1零件為例，在零件的厚度方向上，將被銑削去除的部分分成等厚的十層，并且每層平面與廣義槽的底面相平行，在轉(zhuǎn)角處降速，腹板左右側(cè)采取高速、小切削量去除方式，將這個(gè)平面上方的原材料去除。三角形型腔銑削的刀軌3D加工結(jié)果如圖3所示。

廣義槽層切法在應(yīng)力釋放中可以起到較好的作用，大大減少了零件的應(yīng)力變形。在該類(lèi)薄壁整體零件實(shí)際生產(chǎn)加工中應(yīng)用廣義槽層切法，可使薄壁件在數(shù)控加工后保證零件尺寸要求，減少報(bào)廢品產(chǎn)生，同時(shí)降低成本并提高加工效率，還可避免薄壁件加工變形可能引起的各種不利因素。實(shí)踐證明，廣義槽層切法解決了因殘余應(yīng)力而造成的應(yīng)力變形以及因加工過(guò)程中的振動(dòng)導(dǎo)致的表面粗糙度低等質(zhì)量問(wèn)題，使零件加工生產(chǎn)的難度大大降低。此外，該方法還可以提高零件的加工效率，據(jù)實(shí)際加工統(tǒng)計(jì)，分層粗加工工藝需要的時(shí)間為3 h45 min 51 s，而CATIA中的腔體粗加工工藝需要4 h 23 min 42 s，加工效率提高約15%。

3.2 加工刀路選擇仿真優(yōu)化

對(duì)于同一部件，加工順序不同，產(chǎn)生的變形是不同的。所選擇的加工路徑不同，加工過(guò)程中產(chǎn)生的初始?xì)堄鄳?yīng)力、切割熱以及殘余應(yīng)力的釋放順序也不同。在各種殘余應(yīng)力的相互作用下零件產(chǎn)生的應(yīng)變也不同。此外，切削參數(shù)、刀具參數(shù)、加工工藝、機(jī)床加工精度、振動(dòng)特性等不可控因素對(duì)工件的變形有一定的影響。

3.2.1 筋頂處精加工刀路優(yōu)化

使用CATIA對(duì)筋頂進(jìn)行數(shù)控加工模擬仿真，最常見(jiàn)的處理方法是Profile Contouring和Isoparametric Maching。本文采用從低到高的銑削方式，可以起到優(yōu)化刀具切削軌跡、縮短刀具路徑、提高該零件加工效率的作用，如圖4所示。

圖3 廣義槽層切法加工示意圖

圖4 筋頂精加工刀軌顯示圖

3.2.2 超薄筋條處精加工刀路優(yōu)化

(1)雙側(cè)錯(cuò)層切削加工

該薄壁整體零件中存在超薄筋條這一特殊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在加工過(guò)程中可以采用左右兩面上下交錯(cuò)分層銑削的加工方式，這樣可以有效避免顫刀現(xiàn)象，同時(shí)確保加工出來(lái)的筋條有足夠的強(qiáng)度。在粗加工過(guò)程中要保證超薄筋條兩側(cè)至少留有2 mm的加工余量。雙側(cè)錯(cuò)層切削加工示意圖如圖5a所示。在筋條兩側(cè)交替進(jìn)行軸向銑削時(shí)，每一層的銑削量可以設(shè)置為2 mm或3 mm，為確保加工質(zhì)量，選擇底角角度合適的刀具，確保粗加工筋條時(shí)底角部位留有一定余量，最后選擇相應(yīng)的銑刀針對(duì)零件底角進(jìn)行清根銑削加工。

(2)同側(cè)分層切削加工

對(duì)于超薄筋條的加工，也可以采用同側(cè)上下分層銑削的加工方式。粗加工過(guò)程確保筋條側(cè)壁至少留有2 mm的加工余量。同側(cè)分層切削加工示意圖如圖5b所示。但是為了避免吃刀量過(guò)大而引起顫刀現(xiàn)象，吃刀量設(shè)置為1 mm。

對(duì)比以上走刀加工軌跡，提高加工效率，大部分零件加工選擇雙側(cè)層切法加工，除非死腔加工時(shí)刻采用同側(cè)加工軌跡。

圖5 切削簡(jiǎn)圖

3.2.3 薄腹板處精加工刀路優(yōu)化

該零件腹板處厚度通常較小，最小厚度只有2 mm，使得腹板處加工難度較大。為了減少切削熱和切削力，使零件的加工過(guò)程達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，選擇合適的刀具參數(shù)非常重要。對(duì)于刀具的選擇，首先要保證刀具強(qiáng)度足夠，此外選擇前角和后角大的刀具可以有效減小切削力和切削熱，從而避免工件摩擦變形較大的問(wèn)題。在零件的粗加工中，特別是在腹板的粗加工中，留有一定的加工余量可以有效增加腹板的強(qiáng)度，從而提高工件的穩(wěn)定性。加工余量的取值范圍一般在3～5 mm之間。對(duì)于精加工過(guò)程中的切削參數(shù)，背吃刀量和進(jìn)給速度不應(yīng)太大，以便可以獲得更高的切削速度?？紤]到整體薄壁板件的腹板處強(qiáng)度較低，采用從內(nèi)到外的加工方法可以有效改善零件加工過(guò)程中的穩(wěn)定性以及產(chǎn)生的應(yīng)力變形情況。此外，減小刀具的徑向切削寬度同樣可以提高腹板部位的穩(wěn)定性，有效避免腹板顫動(dòng)。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)合理選擇刀具的起刀點(diǎn)和進(jìn)刀方式，在實(shí)際生產(chǎn)中一般選擇被加工腹板的中心位置作為進(jìn)刀點(diǎn)，刀具采用螺旋進(jìn)刀方法，螺旋下降角(即刀具切入腹板的角度)一般控制在3°以?xún)?nèi)。槽腔腹板加工刀軌示意圖如圖6所示。

圖6 槽腔腹板加工刀軌

該零件加工首先使用D20R3的刀具逐漸切入腹板最淺槽底面，進(jìn)刀刀路范圍大于刀具半徑。再對(duì)上一層淺槽面進(jìn)行銑削，刀軌間距為3 mm且無(wú)空走刀現(xiàn)象，有效避免了腹板銑削顫動(dòng)變形并滿(mǎn)足腹板粗糙度要求。該腹板零件底角半徑不同且腹板很薄，因此要同時(shí)考慮各工序銜接及銑削不同部位，從而選擇合適的刀具進(jìn)行銑削，并且在銑孔和切斷時(shí)也需分層進(jìn)行銑削。

表1 腹板銑削刀具參數(shù)選擇

3.2.4 轉(zhuǎn)角精加工刀路優(yōu)化

由于該型腔腹板類(lèi)零件的槽腔較多，且槽腔內(nèi)轉(zhuǎn)角的加工時(shí)間通常較長(zhǎng)，導(dǎo)致槽腔的加工時(shí)間相應(yīng)增加，其耗時(shí)多達(dá)零件總加工時(shí)間的一半。因此，為了提高加工效率，同時(shí)確保零件表面光潔度并有效減少機(jī)床和刀具的損耗，在加工方法和程序編制的過(guò)程中采用了層銑方式。加工編程時(shí)，刀軌的選擇和進(jìn)退刀宏指令的設(shè)置都會(huì)對(duì)加工時(shí)長(zhǎng)和零件表面質(zhì)量有所影響，同時(shí)刀具空走和不合理的進(jìn)退刀方式也會(huì)導(dǎo)致加工中產(chǎn)生不必要的時(shí)間消耗?？紤]各方面因素我們需要制定合理高效的加工方案，尤其轉(zhuǎn)角位置的加工方式，針對(duì)以上情況采取如圖7所示的走刀方式，以保證型腔精加工時(shí)刀具能夠穩(wěn)定均勻地切削，從而加工出表面質(zhì)量較高的零件。

圖7 加工轉(zhuǎn)角刀具軌跡示意圖

經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，上述工藝措施在薄壁整體零件的加工上取得了較好的效果并開(kāi)始廣泛應(yīng)用，該措施減少了專(zhuān)用刀具以及專(zhuān)用夾具的數(shù)量，降低了成本，最為重要的是一次交檢合格率高達(dá)100%，在生產(chǎn)加工技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了真正意義上的完美突破。

4 結(jié)論

隨著人們對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)的速度和可操作性要求的提高，飛機(jī)上的整體薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)量越來(lái)越多。 在現(xiàn)代飛機(jī)和航天器中使用整體結(jié)構(gòu)件是制造技術(shù)的重大進(jìn)步。文中型腔腹板類(lèi)零件的加工方案是在傳統(tǒng)的加工方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)零件特有的超薄結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，形成一種新型加工方式即廣義槽層切法，目的在于提高型腔腹板類(lèi)零件數(shù)控銑削加工的工藝質(zhì)量。該方法以定量、分層的方式對(duì)毛坯件進(jìn)行銑削加工，并針對(duì)不同的加工部位對(duì)刀具軌跡進(jìn)行調(diào)整，為提高零件的加工質(zhì)量提供了可靠保障，同時(shí)縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率，并且該方法適用于零件的大批量生產(chǎn)。綜上所述，該工藝方法具有較為廣泛的通用性，適合型腔腹板類(lèi)零件的銑切加工，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得推廣。