高厚度鋁合金自由鍛件加工中變形控制方法

劉翹 王霞

航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 遼寧沈陽 110850

高厚度鋁合金自由鍛件因受限于材料成型技術(shù)，加工中產(chǎn)生的零件變形無法適應(yīng)后續(xù)柔性裝配需求[1]。因此為滿足先進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)人員的高強(qiáng)度要求，就要不斷探索并解決高厚度自由鍛件在機(jī)加過程中的零件變形問題。為了避免或減少這種由變形因素對產(chǎn)品質(zhì)量帶來的不利影響，有必要針對零件生產(chǎn)過程中造成工件變形的原因進(jìn)行深入分析及廣泛實(shí)踐，掌握控制零件變形的有效方法，從而進(jìn)行可行性推廣應(yīng)用。

1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)

高厚度鋁合金自由鍛件普遍應(yīng)用于“支臂”類零件，其外廓高度為δ170mm，零件側(cè)面支出“U”型槽口，毛料粗加工后重量依然達(dá)到33．152kg。由于加工可達(dá)性極差，數(shù)控加工過程中需要充分釋放其內(nèi)應(yīng)力，才能滿足在自然狀態(tài)下裝配零組件。

加工難點(diǎn)在于零件高度達(dá)到δ170mm，零件在粗加工過程中殘余應(yīng)力釋放不均勻進(jìn)而支臂“U”型槽口出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象及定位基準(zhǔn)面翹起現(xiàn)象，導(dǎo)致粗加工后保留5-7mm 加工余量；粗加工后余量越大，精加工時(shí)的變形量隨之越大，需要大量時(shí)間進(jìn)行人工時(shí)效，嚴(yán)重影響裝配質(zhì)量及交付進(jìn)度。

2 影響零件變形的主要因素

2.1 工藝凸臺對零件變形的影響因素

高厚度鋁合金自由鍛件由于毛料打平面后厚度達(dá)到δ180mm，需要在數(shù)控加工前充分考慮到工藝凸臺設(shè)定位置及數(shù)量。位置不當(dāng)，一方面粗加工過程中會導(dǎo)致殘余應(yīng)力釋放不充分，零件發(fā)生扭曲變形的同時(shí)定位基準(zhǔn)面呈現(xiàn)翹起變形狀態(tài)；另一方面由于毛料過高，會為刀具五坐標(biāo)擺角精銑零件設(shè)置人為障礙。數(shù)量不當(dāng)，零件的定位基準(zhǔn)面安排不合理，從而切削過程中定位方式不牢固，導(dǎo)致裝夾變形無法完成零件的優(yōu)質(zhì)高效加工。

2.2 殘余應(yīng)力釋放對零件變形的影響因素

殘余應(yīng)力是存在于物體內(nèi)部且保持平衡的力。毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布及大小對工件的加工變形有很大的影響，是引起工件加工后變形的主要原因之一。機(jī)械加工和強(qiáng)化工藝都能引起殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力一般是有害的，如零件在不適應(yīng)當(dāng)?shù)臒崽幚?、焊接或切削加工后，殘余?yīng)力會引起零件發(fā)生翹曲或扭曲變形，甚至開裂。零件的殘余應(yīng)力大部分都可通過適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定化熱處理消除。殘余應(yīng)力也有有益的方面，它可以被控制用來提高零件的疲勞強(qiáng)度和耐磨性能。

2.3 工藝方案對零件變形的影響因素

（1）數(shù)控粗加工方式對零件變形的影響。零件粗加工選擇的設(shè)備直接影響零件加工的變形效果，變形量的大小又決定了粗銑后為精加工留取的工藝余量大??；在粗銑后定位基準(zhǔn)面變形相對較小的前提下，工藝余量越小對控制精加工過程中的零件扭曲變形越有利，精加工后的成品零件在自然條件狀態(tài)下越能滿足飛機(jī)裝配型架要求，實(shí)現(xiàn)無應(yīng)力集中狀態(tài)下裝配零件。

（2）粗銑后的切斷方式對零件變形的影響。零件粗加工后，由于零件與毛料之間依靠連接筋拉拽力連接，零件尚未脫離毛料仍然處于應(yīng)力釋放的關(guān)鍵階段，周圍料邊仍對料心的零件變形施加應(yīng)力作用；越延遲切斷零件，彈性變形量越加不可控制，對后續(xù)消除變形完成零件精加工帶來質(zhì)量隱患。通過試切實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，粗銑后相對于轉(zhuǎn)換工位到常規(guī)銑床切斷零件，在原高速加工中心上采取數(shù)控切斷的方式更加有利于控制零件變形。

2.4 數(shù)控編程及切削參數(shù)對零件變形的影響

零件及毛料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定需要大下切深的高速銑刀具，數(shù)控銑刀的下刀深越長，刀具在銑切零件的顫動量也就越大，切削過程中的動平衡性越差，編程軌跡要求考慮的因素就更加復(fù)雜多變，所以選擇合理的編程方式及切削參數(shù)尤為重要，可通過分析零件在前期加工過程中的實(shí)際變形情況調(diào)整編程策略，并對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化使零件充分釋放內(nèi)應(yīng)力后有效控制零件變形[2]。

3 變形控制方法對比與選擇

3.1 工藝凸臺的改進(jìn)與選擇

考慮到工藝凸臺設(shè)定的變化形式對于零件裝夾定位起到至關(guān)重要的作用，根據(jù)產(chǎn)品的工藝性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出便于裝夾及輔助支撐的工藝凸臺，并利用輔助支撐強(qiáng)化切削點(diǎn)的剛性以減少因彈性變形而引起的精度誤差，使工件在加工過程中具有良好的開敞性，避免刀具與余料產(chǎn)生延刀碰撞現(xiàn)象，更加有利于釋放零件的殘余應(yīng)力。工藝凸臺設(shè)置應(yīng)遵循簡單易于定位的原則，積極避開深腔加工中的延刀余料部位。

3.2 自然實(shí)效與穩(wěn)定化熱處理

零件粗加工后由原加工方案變形量的2-3mm 至現(xiàn)行高速加工后變形量的0．5-1．5mm，自然實(shí)效周期長且效果不明顯，采用72小時(shí)自然實(shí)效后，變形量仍然≥1．5mm；采用穩(wěn)定化熱處理可以在產(chǎn)品精加工之前得到最大程度上的釋放殘余應(yīng)力，裝爐放置半成品（重量大于30kg）時(shí)，零件之間的間隙應(yīng)不小于50mm；在一個(gè)料架上，外形尺寸大的零件不允許擺放兩層。穩(wěn)定化熱處理時(shí)，實(shí)效溫度允許范圍200±5℃，零件隨爐升溫，控制儀表到設(shè)定溫度145℃時(shí)開始計(jì)時(shí)2-3h，保溫結(jié)束后出爐空冷，定位基準(zhǔn)面變形量范圍控制在1mm 范圍內(nèi)。

降低了切削力導(dǎo)致的零件變形程度，料邊正常脫離零件的同時(shí)一并帶走切削熱。

4 結(jié)語

本文基于高厚度鋁合金自由鍛件的高速加工，通過對零件加工過程中的工藝技術(shù)角度分析，從穩(wěn)定化熱處理、工藝方案、程編策略及切削參數(shù)等方面對零件變形的影響作為切入點(diǎn)，闡述了解決零件變形的控制方法。變形控制的成功解決也提高了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量和加工效率，降低了加工成本，同時(shí)拓展了消除陡峭側(cè)壁加工變形的思路，達(dá)到均勻釋放殘余應(yīng)力的目標(biāo)。