空客機輪艙壁板零件機加變形分析及優(yōu)化策略

丁蘇煜，樊娜娜，任萬松

（中國航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司檢驗檢測部，四川成都 610092）

0 引言

航空零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，切削量大，極易產(chǎn)生加工變形，是影響航空產(chǎn)品研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，從質(zhì)量控制的角度出發(fā)，收集零件的變形信息進而開展變形分析，為工藝人員建立零件加工變形控制技術(shù)規(guī)范具有重要意義。

通過分析，空客機輪艙項目國產(chǎn)Alerris 材料的零件加工工藝流程如圖1 所示，此類零件存在2 個典型質(zhì)量問題：①零件光面存在接刀臺階；②零件以光面定位時，容易向上拱起變形，且間隙≥0.5 mm，無法通過校正達到圖紙平面度0.5 mm 的要求。

圖1 空客機輪艙零件加工流程

為此，分析空客機輪艙項目國產(chǎn)Alerris 料的零件變形機理，并根據(jù)分析結(jié)果提出工藝優(yōu)化策略，以提升零件加工質(zhì)量。

1 變形分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)分析

空客項目最典型的零件為左右側(cè)壁板，如圖2 所示。該零件為單面零件，纖維方向沿長度方向，正上方及右下角為兩個大通孔，以一條斜筋相連，其余筋條均沿長度方向，腹板厚度絕大部分小于2 mm，最小為1.2 mm。零件下方為五坐標緣條，左端頭沒有緣條。該零件質(zhì)量控制的難點主要包括：①零件腹板厚度小，且厚度公差只有±0.1 mm，需通過半精加工控制腹板厚度；②零件鼓包區(qū)域凸臺厚度為高精度尺寸；③零件大部分孔均為精孔。

圖2 左右側(cè)壁板零件

1.2 工藝流程分析

傳統(tǒng)工藝流程如圖3 所示，主要分為3 個階段：①在加橋進行粗加工并將光面精銑到位，形成檢驗項目（表面接刀臺階）；②在翻板銑機床進行精加工，形成框面檢驗項目（筋位、孔位、平面度等）；③在鉗工工序進行校正后，再次形成檢驗項目（平面度、精孔孔徑）。

圖3 傳統(tǒng)工藝流程

1.3 零件變形分析

零件加工的過程中，在翻板銑加工后，零件會有不同程度的彎曲變形，以零件光面為底面，變形趨勢為零件中間向上拱起，該狀態(tài)不利于鉗工校正零件，如圖4 所示。

圖4 加工變形趨勢

國產(chǎn)Aleris 材料零件試加工階段平面度情況：①D531-37117-200 加工的16 個零件，平面度區(qū)間為0.8～1.6 mm；②D531-14476-200 加工的8 個零件，平面度區(qū)間為1.3～1.5 mm。總體而言，在國產(chǎn)料試加工階段，零件變形的波動均較大，且波動范圍難以控制，給產(chǎn)品質(zhì)量控制提出了新的挑戰(zhàn)。

結(jié)合零件材料，從機加過程分析，零件出現(xiàn)上述變形主要是以下3 個因素的綜合影響。

（1）環(huán)境溫度。溫度變化導(dǎo)致零件伸縮變形、張角變化等。

（2）材料初始殘余應(yīng)力。毛坯初始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，新的應(yīng)力重分布導(dǎo)致零件變形。

（3）切削過程熱-力耦合。在機械載荷與熱載荷綜合作用下產(chǎn)生的加工表面應(yīng)力導(dǎo)致零件變形。

但是，相同加工方案、加工參數(shù)和加工設(shè)備分別加工進口料和國產(chǎn)料，其變形方式出現(xiàn)顯著差異，因此判定出現(xiàn)變形差異的主要原因是由材料初始殘余應(yīng)力不一致導(dǎo)致。影響材料初始殘余應(yīng)力的因素主要有2 個：①材料初始殘余應(yīng)力的去除，會導(dǎo)致加工時零件附加力矩的產(chǎn)生，直接誘發(fā)零件變形；②從鋁材制造過程分析，其熱軋方式、固溶淬火、拉伸和時效的不同對初始殘余應(yīng)力有很大影響，是影響材料殘余應(yīng)力的主要原因。

綜合上述分析，為提升零件質(zhì)量，必須從數(shù)控加工工藝流程及材料成型過程開展改進。

2 工藝優(yōu)化策略

基于上述分析，結(jié)合機械加工廠已有的工藝經(jīng)驗，探討數(shù)控加工工藝優(yōu)化策略。

2.1 殘余應(yīng)力提前釋放

（1）粗加工余量為3.5 mm，如圖5 所示，將零件粗加工分離出來，并增加時效處理，充分釋放零件變形。該方案所用粗加工刀具：JGXLAY2GNT/32*35*100R3，修光面刀具：JGXLAY2GNT/32*35*100R3。

圖5 殘余應(yīng)力提前釋放策略

試驗結(jié)果：粗加工后修光面，零件表面接刀不平，臺階較大，刀軌之間臺階0.03～0.05 m，且表面質(zhì)量較差。精加工后零件仍向上拱起，但變形較小，光面與平臺間隙為0.5～0.8 mm。

結(jié)果分析：采用該方案后，零件變形減小，但并未將拱起變形完全消除。由于零件粗摳，毛坯中空，導(dǎo)致零件光面修面接刀不平，極大增加了鉗工工作量?？紤]到拱起變形未完全消除的原因，可能是光面接刀不平導(dǎo)致，于是在粗精加工分離方案不變的基礎(chǔ)上做二次方案優(yōu)化。

（2）內(nèi)型余量3.5 mm，腹板厚度8 mm，筋頂與毛坯頂面齊平（圖6）。相比上一方案更改的內(nèi)容：①所有筋頂余量與毛坯頂面齊平，并開橫向槽，成井字形；②側(cè)邊余量3.5 mm。理論值小于4 mm 腹板，粗加工余量保持一致高度，余量不小于4 mm；理論值大于4 mm 腹板，余量為4 mm。粗加工后腹板厚度為8 mm。該方案所用粗加工刀具：JGXLAY2GNT/32*35*100R3，修光面刀具：JGXLAY2GNT/32*35*100R3 JGMLAJ6XWT/80*12*50R0∠90o。

圖6 筋頂余量與毛坯頂面齊平

試驗結(jié)果：粗加工后修光面，由于使用了D32 刀具去光面大余量，D80 盤刀精修光面，零件光面質(zhì)量較好，但零件表面接刀不平增大，刀軌之間臺階0.1～0.2 mm。精加工后零件仍舊向上拱起，光面與平臺間隙為0.5～0.8 mm。

結(jié)果分析：本次增加腹板厚度，在筋頂與毛坯頂面齊平的情況下，光面修面仍舊接刀不平。考慮到兩個可能存在的問題：①修光面時刀具加工參數(shù)不合理；②零件結(jié)構(gòu)原因?qū)е滦廾孢^程中加工應(yīng)力得不到釋放。在此方案基礎(chǔ)上做第三次方案優(yōu)化。

（3）以（2）方案為基礎(chǔ)的修面試驗。修光面刀具：JGXLAY2GNT/32*35*100R3，加工參數(shù)：S17000，F(xiàn)5000；JGMLAJ6XWT/80*12*50R0∠90o 加工參數(shù)：S5000，F(xiàn)2000。

首先通過更改加工參數(shù)的方法優(yōu)化方案，采用D32 刀具去光面大余量，采用盤刀精修光面0.13 mm。經(jīng)過多個零件反復(fù)試驗，D80 刀具參數(shù)更改為S2000，F(xiàn)1500。

試驗結(jié)果：該參數(shù)加工下，零件光面表面質(zhì)量最好，臺階在0.03～0.05 mm，臺階依舊沒有完全消除。

繼續(xù)優(yōu)化方案，在修面參數(shù)為S2000，F(xiàn)1500 基礎(chǔ)上，增開應(yīng)力釋放槽（圖7）。

圖7 增開應(yīng)力釋放槽

試驗結(jié)果：臺階依舊為0.03～0.05 mm，且零件精加工后仍然向上拱起變形。由于零件修面時必須無應(yīng)力裝夾，采用盤刀修面切削力較大，導(dǎo)致其中4 件試驗件在修面過程中被向上拉起。零件光面臺階最大0.5 mm，臺階成階梯狀，最低點與毛坯頂面相差1 mm。零件長度方向平面度相差1.1 mm。后通過用小切削力的D32 刀具挽救加工3 件，再由鉗工打磨交付使用。加工情況如圖8 所示。

圖8 光面表面質(zhì)量示意

結(jié)果分析：通過改變切削參數(shù)的方法，修面效果有所改善，但仍舊無法完全消除光面臺階，鉗工仍需打磨。零件加工過程中變形，筋頂并未能起到有效的支撐作用。開粗加工應(yīng)力釋放槽對零件加工過程及最終結(jié)果基本沒有影響。經(jīng)分析是零件過大，且零件結(jié)構(gòu)本身三面緣條，應(yīng)力釋放槽為了避讓緣條而無法銑穿零件，導(dǎo)致應(yīng)力釋放槽影響較小。

2.2 殘余應(yīng)力錯序釋放策略

如圖9 所示，可看出該方案與傳統(tǒng)工藝方案在流程上沒有區(qū)別，不同之處在于精加工中零件結(jié)構(gòu)的加工順序以及加工參數(shù)的變化。

圖9 殘余應(yīng)力錯序釋放策略

與傳統(tǒng)工藝方案的主要區(qū)別：①粗摳過程中筋頂直接銑至理論尺寸；②傳統(tǒng)工藝方案采用零件整體層降式粗摳，模擬外廠方案采用單個框格粗摳到位，再粗摳下一個框格；③傳統(tǒng)工藝方案先銑內(nèi)形，后銑腹板。模擬外廠方案先將3 mm 以上腹板銑至理論尺寸，再將其余所有腹板銑至理論尺寸，最后銑內(nèi)型。

試驗結(jié)果：由于取消了粗加工機床粗摳零件的步驟。零件毛坯狀態(tài)重大半噸，不存在修面刀具將零件拉起的情況。零件修光面接刀臺階消除，表面質(zhì)量好。零件變形情況，3 個試驗件均有不同程度反向拱起，第一件光面與平臺間隙0.5 mm（基本合格），第二件0.2～0.3 mm（合格），第三件0.7 mm（不合格），狀態(tài)極不穩(wěn)定。

結(jié)果分析：模擬外廠方案注重精加工零件的加工順序，從試驗結(jié)果來看，零件結(jié)構(gòu)的加工順序與零件變形情況沒有直接關(guān)系。

2.3 預(yù)變形補償策略

針對該零件試驗情況總是反向拱起的情況，采用粗加工預(yù)變形的方法抵消精加工后反向拱起變形，如圖10 所示。

圖10 預(yù)變形補償策略

該方案與傳統(tǒng)工藝流程主要區(qū)別：①先修零件光面見光，毛坯長度方向中間增開壓板槽，如圖11 所示；②第二次修光面前，毛坯兩端墊高3 mm，中間搭壓板，通過壓板壓彎毛坯，在壓彎的情況下修面，如圖12 所示。

圖11 壓板槽位置

圖12 零件預(yù)變形

試驗結(jié)果：零件光面修面，無接刀臺階，表面質(zhì)量好。粗加工預(yù)壓彎，精加工后抵消反向拱起變形。以光面定位，零件兩端翹起最大2 mm，部分零件端頭平整，與工作臺貼實，該狀態(tài)有利于鉗工校正。

結(jié)果分析：由于零件光面帶應(yīng)力修面，修面時毛坯穩(wěn)定，剛性好，故修面質(zhì)量更好。零件修光面提前壓彎，修面后松開壓板，由于材料的彈性變形，零件回彈2～3 mm。以光面定位精加工前，零件兩端已經(jīng)翹起2～3 mm，從而精加工后抵消反向拱起變形。

3 應(yīng)用效果

3.1 修面改進評價

回歸傳統(tǒng)方案，不再分離粗精加工，在粗加工機床銑基準面時預(yù)先壓彎帶應(yīng)力修面。毛坯位置固定，剛性好。修面無接刀臺階，采用盤刀精修面，表面質(zhì)量好，觸摸無臺階痕跡。

3.2 變形改進評價

提前壓彎毛坯修光面，利用材料的彈性變形使壓板松開后毛坯自動回彈。翻面后以光面定位，毛坯已提前形成兩端翹起狀態(tài)，從而保證了后續(xù)鉗工校正零件。

3.3 試驗方案結(jié)果對比

如表1 所示，與變性補償策略為最優(yōu)方案，在經(jīng)過5 件零件的試驗成功后，該方案已在機輪艙壁板上正式使用。目前機輪艙壁板左右件均按該方案加工，已經(jīng)交付560 件，有效解決了該項目機輪艙壁板零件的質(zhì)量瓶頸問題，大大提高了零件的交付合格率。

表1 試驗方案效果對比