薄壁弱剛性大尺寸框一體化精密加工技術(shù)研究

王熙杰 蔡慧林 張貝貝

摘 要 本文針對薄壁弱剛性大尺寸鋁合金門框結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、精度高、加工易變形等難題，通過高速加工消除加工應(yīng)力、設(shè)計(jì)裝夾工裝、仿真優(yōu)化刀具軌跡、特制專用刀具、在線與離線測量誤差補(bǔ)償?shù)燃庸すに嚧胧?，解決了該類門框零件的加工難題，實(shí)現(xiàn)了零件尺寸精度優(yōu)于H7級、形位精度平面度0.1、平行度0.15、垂直度0.2、表面粗糙度Ra優(yōu)于1.6等技術(shù)指標(biāo)，形成了一套成熟的加工工藝方案，為后續(xù)該類零件的加工提供了指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞 薄壁 大尺寸 鋁合金 精密加工

中圖分類號：TU395 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）01-0015-04

1 前言

鋁合金材料因其密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、韌性好、加工性能優(yōu)異、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-4]，在航空航天與民用工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。我國幾乎所有航空航天產(chǎn)品都要用到鋁合金材料，特別是在通訊衛(wèi)星等型號中的支架類、壁板類零件產(chǎn)品幾乎都是鋁合金材料，但這些復(fù)雜、精密的鋁合金零件由于整體結(jié)構(gòu)框架件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、剛度差、多孔、多轉(zhuǎn)角、厚度跨度大等原因，在生產(chǎn)制造過程中加工質(zhì)量和精度很難控制，容易發(fā)生變形，給加工帶來許多困難。而隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，零件的設(shè)計(jì)精度越來越高，這對航天制造技術(shù)及制造精度提出了更高的要求。

門框是密封客體的關(guān)鍵構(gòu)件，其質(zhì)量與精度直接決定客體的密封性能。本文中門框采用一體化空間曲線薄壁殼體結(jié)構(gòu)（如圖1及圖2），材料為5A06鋁合金，其力學(xué)性能與物理性能如表1所示。門框最大外徑為Φ2500mm，內(nèi)圈尺寸為1500mmx1600mmx200mm，重量約80kg。最小壁厚為3±0.15mm，內(nèi)圈呈放射狀環(huán)槽結(jié)構(gòu)。零件加工過程中材料去除率高達(dá)90%，端面垂直度0.2mm，端面平面度0.1mm，端面表面粗糙度Ra0.8，尺寸公差為0.2mm，是典型的薄壁弱剛性大尺寸殼體零件。具有加工過程中材料易粘刀、結(jié)構(gòu)易變形，密封面粗糙度極易超差等特點(diǎn)。詳見表1鋁合金5A06材料性能。

本文針對該類零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以薄壁弱剛性大尺寸高精度鋁合金門框零件為研究對象，分析產(chǎn)品加工的工藝性，針對該類產(chǎn)品加工工藝技術(shù)進(jìn)行研究。

2 工藝難點(diǎn)分析

1.門框是一種薄壁弱剛性大尺寸殼體零件，其最大外徑尺寸為Φ2500mm。外表面為球冠面大底結(jié)構(gòu)，面積較大，且具有較高的尺寸精度和形位精度，采用一體化加工技術(shù)，零件剛性差，在加工過程中易發(fā)生彈性變形，引起實(shí)際切削量小于理論切削量，在發(fā)生彈性變形劇烈的位置會出現(xiàn)凸起或者卷角的現(xiàn)象，影響門框的加工精度。如圖3所示，為立銑刀銑削加工薄壁零件的讓刀產(chǎn)生誤差的示意圖，按切削理論零件被切除的部分應(yīng)該是ABCD，但是在實(shí)際加工過程中，由于刀具和工件的相互擠壓變形導(dǎo)致如上圖所示的A'C'D'的滑移現(xiàn)象，所以實(shí)際的被切除部分為A'BC'D，而DC'CD'未被切除，從而產(chǎn)生加工誤差。因此在加工過程中，需要采用高速加工控制變形，提高加工效率。

2.門框有兩處密封端面，一處為中間方形的密封端面，尺寸為500mmx1600mmx200mm。另一處為最外圈圓形的密封端面，最大外徑尺寸為Φ2500mm。兩處密封端面的表面粗糙度Ra精度均要求0.8，密封端面尺寸較大且表面粗糙度要求高。門框密封端面處的粗糙度直接影響著其耐腐蝕性、安裝密封性、磨損狀態(tài)以及疲勞強(qiáng)度等。在實(shí)際加工中，選擇合理的加工刀具和參數(shù)有利于提高零件的表面質(zhì)量。

3.半精/精加工階段，由于門框結(jié)構(gòu)的薄壁弱剛性，裝夾力、夾緊位置及作用順序等影響引起工件變形。過大的裝夾力會使工件產(chǎn)生較大局部變形，當(dāng)切削完成撤除裝夾工件回彈后導(dǎo)致裝夾誤差：過小的裝夾力則使工件不能穩(wěn)固裝夾，在加工過程中工件容易出現(xiàn)滑移、振動(dòng)甚至脫落的現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下甚至導(dǎo)致工件報(bào)廢和刀具損壞。因此需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)專用的工裝減小裝夾方式對零件變形的影響。

4.門框內(nèi)圈圓角位置處減輕槽星放射狀，減輕槽寬度最大處60mm，減輕槽寬度最小處50mm，槽深40mm，越靠近門框中心加強(qiáng)筋之間的間距越窄，加工空間受限（圖4）。因此需要設(shè)計(jì)合理的進(jìn)刀方式和走刀策略，提高加工質(zhì)量。

5.門框外表面端面為密封面，表面粗糙度Ra1.6，密封面存在兩圈密封槽，密封槽為空間曲面構(gòu)型，倒內(nèi)圓角R0.3mm，其剖視圖如圖5所示，密封槽內(nèi)底面粗糙度同樣要求Ra1.6。標(biāo)準(zhǔn)刀具無法滿足該構(gòu)型的銑削加工，且一般銑削方法難以達(dá)到產(chǎn)品表面質(zhì)量要求，所以設(shè)計(jì)專用刀具、試驗(yàn)合理的加工參數(shù)是必須攻克的難點(diǎn)。

3 門框的加工工藝分析研究

3.1 一體化工藝流程的設(shè)計(jì)

機(jī)械加工工藝流程的合理安排對于保證加工質(zhì)量、提高加工效率、減小零件變形等有很大影響，根據(jù)薄壁大尺寸鋁合金門框零件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，制定具體的加工工藝流程如圖6所示。

為減小變形，采取了如下措施：優(yōu)化加工進(jìn)給量、車床底盤轉(zhuǎn)速或加工中心主軸頭轉(zhuǎn)速、加工速度等參數(shù)組合，采用小切深、低進(jìn)給量、逐層去除，提高加工尺寸精度和表面質(zhì)量：合理設(shè)置去應(yīng)力時(shí)效的工序，在加工過程中逐步消減加工及結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，確保后續(xù)加工的精準(zhǔn)及最終的精度;設(shè)計(jì)高精度工裝平臺作為加工平臺，采用壓板定位裝夾異性臺階面，并輔以速干膠粘接方式對加工的零件進(jìn)行側(cè)向固定，降低加工零件的固有頻率，提高加工的尺寸精準(zhǔn)性和表面質(zhì)量：設(shè)置若干過程中形位尺寸特征點(diǎn)檢測（如端框外圓、對接平面、外型面等），使用激光跟蹤儀對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)獲取變形情況并修正加工參數(shù)。

3.2 采用高速加工控制變形

門框外：表面為球冠面大底結(jié)構(gòu)，面積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑒于鋁合金的薄壁、弱鋼性特點(diǎn)，采用高速加工可有效降低加工過程中的切削力，提高了零件表面質(zhì)量。為增加刀具系統(tǒng)的剛性，門框的粗加工使用直徑為15mm的整體合金端銑刀，采用分層加工的方式。精加工使用直徑為15mm的整體合金球頭銑刀，刀具強(qiáng)度較好。粗加工轉(zhuǎn)速為13000r/min，進(jìn)給4000mm/min，切削線速度為900m/min，大大增加了加工效率。精加工轉(zhuǎn)速13000r/min，進(jìn)給200mm/min，步距為0.30mm，獲得了較高的表面質(zhì)量。

3.3 優(yōu)化走刀軌跡及加工參數(shù)

鑒于門框的外表面為球冠面大底結(jié)構(gòu)，且面積較大，表面粗糙度要求高等特點(diǎn)。為提高加工效率，需設(shè)計(jì)比較不同走刀軌跡在相同切削參數(shù)下的加工質(zhì)量和效率，得到最優(yōu)走刀軌跡。周向走刀相比于徑向走刀，刀軌簡潔，切削時(shí)間短，整體表面質(zhì)量均勻而光滑。周向走刀又可以分為等距環(huán)切和等距螺旋兩種，如圖7、圖8所示。

通過加工仿真分析模擬，使用兩種相同切削參數(shù)的試驗(yàn)比較結(jié)果如上文表2所示，發(fā)現(xiàn)等距螺旋走刀方式加工效率提高16%，加工的表面質(zhì)量也更好。

3.4 裝夾方案及專用工裝設(shè)計(jì)

門框在切削力和緊固力的作用下，易發(fā)生變形，為保證門框的形位公差，加工門框內(nèi)表面密封面時(shí)必須保證無裝夾應(yīng)力，并且由于精密加工工件的精度要求高，需要“一刀下”來保證各加工精度。針對該零件特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了下凹式支撐工裝，零件在進(jìn)行銑削加工時(shí)采用如下裝夾方式：門框放置于工裝內(nèi)，用銷釘將門框固定在工裝頂盤內(nèi)，為防止零件軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，中心孔處用壓板定位裝夾。并輔以速干膠粘接方式對加工的零件進(jìn)行側(cè)向固定，降低加工零件的固有頻率，采用高速銑削的加工方式有效的保證激振頻率遠(yuǎn)離零件的固有頻率，提高加工的尺寸精準(zhǔn)性和表面質(zhì)量，門框球冠內(nèi)部填滿切削液以提高零件的工藝剛性。

此方法利用切削液填充輔助裝夾手段，即將切削液填充到工裝與門框形成的區(qū)域內(nèi)來提高整體零件的固有頻率，進(jìn)而提高薄壁零件的整體剛度，達(dá)到減少刀具變形與顫振的目的。實(shí)現(xiàn)門框壁厚公差優(yōu)于0.15，門框端面平面度優(yōu)于0.1，垂直度優(yōu)于0.2 的指標(biāo)，解決其因剛性差而產(chǎn)生的影響工件表面質(zhì)量的問題，從而保證薄壁件的加工質(zhì)量要求。（如圖9所示）

3.5 放射狀減輕槽的加工

門框方形內(nèi)腔側(cè)面有一圈放射狀減輕槽（如圖10所示），進(jìn)刀空間受限，因此加工放射狀減輕槽時(shí)采用斜線進(jìn)刀方式，刀具切入角與工件平面的夾角取為15°，夾角角度越小在進(jìn)刀時(shí)的切削力就越小。同時(shí)采用由外到內(nèi)的環(huán)形走刀和回路切削，可避免因側(cè)壁剛度的急劇減小導(dǎo)致的“讓刀”現(xiàn)象。

3.6 T型密封槽加工及刀具選用

加工T型密封槽時(shí)選用自制T型銑刀（如圖11）。自制T型銑刀區(qū)別于傳統(tǒng)T型刀刃口鋒利，切削輕快。底齒的切削刃能夠很好的保證密封槽底面到密封面上表面的距離尺寸公差0.1及表面粗糙度Ra1.6要求。

T型槽的加工過程如下：立銑刀開槽清側(cè)壁，底部留0.05mm余量待加工;T型刀先去除中部大量，頂部、側(cè)壁、底部均留0.05mm余量;選擇合理的刀具長度補(bǔ)償和半徑補(bǔ)償值，T型刀一次走刀去除所有余量，保證零件尺寸公差。

此外，由于大型鋁合金結(jié)構(gòu)件對溫度變化非常敏感。為了保證密封槽平面度0.1μm，在機(jī)床上同時(shí)裝夾并加工T型槽精加工試驗(yàn)件，實(shí)時(shí)測量并選取準(zhǔn)確的刀具長度和半徑補(bǔ)償值來保證加工精度。

3.7 在線測量與離線測量的誤差補(bǔ)償

精銑過程中采用非接觸式超聲波測厚儀對零件壁厚進(jìn)行無損檢測。實(shí)時(shí)測量零件壁厚的加工余量，嚴(yán)格控制壁厚在3±0.15mm。但因量具、測量方法及加工環(huán)境溫度與最終檢測的不一致，會導(dǎo)致測量誤差，為消除在線測量與精密測量間的誤差，操作時(shí)要求加工者在精加工與精密檢測之間要反復(fù)進(jìn)行，即每次加工0.1～0.2的余量時(shí)進(jìn)行精測，通過這種方式掌握由于環(huán)境、人員等導(dǎo)致的測量誤差，并且在最后一次精密加工時(shí)進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。

4 結(jié)論

本文分析以門框?yàn)榇淼谋”谌鮿傂浴⒋蟪叽?、高精度等特點(diǎn)，對該類零件的加工難點(diǎn)進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)小變形進(jìn)行工藝方案設(shè)計(jì)。

（1）為消除加工過程造成的應(yīng)力變形采用高速加工的方法，保證零件尺寸精度0.5的技術(shù)要求，最終實(shí)現(xiàn)尺寸精度0.3。

（2）針對門框在切削力和緊固力的作用下易發(fā)生變形難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了下凹式工裝，并通過內(nèi)部填滿切削液提高零件加工剛度，實(shí)現(xiàn)壁厚偏差優(yōu)于0.15。

（3）通過優(yōu)化走刀軌跡，采用周向等距螺旋走刀方式，零件加工效率提高16%。

（4）通過特制專用銑刀加工T型密封槽，實(shí)現(xiàn)密封槽底面到密封面上表面距離偏差0.08及表面粗糙度優(yōu)于Ra1.6。

（5）采用在線和離線雙結(jié)合測試方法，實(shí)現(xiàn)對零件加工裝夾變形誤差補(bǔ)償，保證零件的尺寸和形位精度。

通過實(shí)踐證明，薄壁弱剛性、大尺寸、高精度鋁合金門框采用的工藝方法、工藝路線合理可行，積累了薄壁弱剛性高精度鋁合金門框零件的加工工藝方法，為后續(xù)類似零件的加工提供參考和借鑒。

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（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道機(jī)車學(xué)院，湖南 株洲 412006）