一種鋁合金舵面加工技術(shù)的研究

胡成昕

（黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150040）

0 引言

某種型號(hào)的飛行器由很多零部件組成，舵面零件是其中重要組成部分之一，舵面零件在飛行器飛行過程中起到極為關(guān)鍵的作用，由于其表面光潔度要求較高，材質(zhì)比鋼件軟，不宜裝夾，加工余量較大，很容易變形，所以加工質(zhì)量難以控制，生產(chǎn)效率比較低[1]。針對(duì)以上問題，本文在工裝夾具、刀具、加工方法等方面進(jìn)行研究，使該難題得到了很好的解決，保證了舵面零件的精度、質(zhì)量及生產(chǎn)效率，完成了該類零件的科研攻關(guān)，取得了不錯(cuò)的加工效果[2]。

1 結(jié)構(gòu)及加工分析

某型號(hào)舵面零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)如下：材質(zhì)為鋁合金，材質(zhì)相對(duì)較軟，表面完整性要求高，不允許有任何劃痕；總長度大于300 mm，不易裝夾，加工過程中極易發(fā)生振動(dòng)，影響加工精度，易產(chǎn)生振紋；整體斜面加工量較多，去除余量不均勻且切削余量較大，易產(chǎn)生變形。

圖1 某型號(hào)舵面結(jié)構(gòu)示意圖

2 工藝方案

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出加工工藝流程，如圖2所示。

圖2 工藝流程

按照該加工工藝流程，本文提出一種飛行器舵面的加工方法，能加工出材質(zhì)相對(duì)較軟、尺寸較長的舵面，且保證較低的表面粗糙度，無振紋，尺寸精度符合設(shè)計(jì)要求，適于此類飛行器舵面零件的加工制造[3]。

其主要技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)如下：1）備料。根據(jù)舵面零件的外廓尺寸，準(zhǔn)備厚度適宜的矩形鋁合金板原料。2）粗銑長邊。利用數(shù)控銑床粗銑原料長邊輪廓，根據(jù)舵面外形的兩長邊尺寸，保留足夠加工余量。4）粗銑短邊。利用數(shù)控銑床粗銑原料短邊輪廓，根據(jù)舵面外形兩短邊尺寸，保留足夠的加工余量。5）銑平面。根據(jù)舵面厚度最大值，去除兩側(cè)余量，為精加工做好準(zhǔn)備。6）自然時(shí)效。恒溫靜止自然放置48 h，使應(yīng)力得到充分釋放。7）銑邊槽。根據(jù)舵面結(jié)構(gòu)特征，在舵面長度方向兩側(cè)，留出裝夾工藝臺(tái)，需保證工藝臺(tái)尺寸公差。8）粗銑長斜面。將上序精銑后的工藝臺(tái)作為裝夾定位處，在數(shù)控銑床上，粗銑出長斜面，并為精銑留有加工余量。9）粗銑短斜面。將上序精銑后的工藝臺(tái)作為裝夾定位處，在數(shù)控銑床上，粗銑出短斜面，并為精銑留出加工余量。10）自然時(shí)效。恒溫靜止自然放置48 h，使應(yīng)力得到充分釋放。11）精銑輪廓。同樣以工藝臺(tái)作為定位夾緊，采用五軸數(shù)控加工中心精銑舵面輪廓線，最后切割工藝臺(tái)，得到符合技術(shù)要求的零件。12）終檢。檢測(cè)零件各個(gè)尺寸，確保零件合格。

2.1 刀具選擇

刀具選擇的準(zhǔn)則，必須要保證被加工零件表面尺寸要求與刀具尺寸相適應(yīng)。該型號(hào)舵面斜平面較多，所以在確保不過切的情況下，優(yōu)先選用的都應(yīng)該是平頭銑刀，該類銑刀適合粗加工或者精加工平面[4]。鑒于以上原則，加工該類型舵面時(shí)采用φ16平頭銑刀，為了增加銑刀使用壽命，刀刃帶有R角。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)設(shè)有倒圓處，因其為弧面，通常采用球頭銑刀可精確加工弧面，該型號(hào)舵面采用φ8球頭銑刀進(jìn)行圓角銑削[5]。

2.2 精銑輪廓工裝設(shè)計(jì)

工裝的設(shè)計(jì)在零件加工中有著重要的作用，其設(shè)計(jì)合理性、裝夾方法、夾緊力及方向選擇都對(duì)零件的加工精度起著至關(guān)重要的作用。零件的加工變形很大程度上取決于工裝夾具的設(shè)計(jì)，首先要選取定位基準(zhǔn)，定位基準(zhǔn)需與零件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)一致，定位面需要經(jīng)過精加工[6]。其次，夾緊位置的選擇需要準(zhǔn)確無誤，在保證足夠夾緊力的同時(shí)，不能出現(xiàn)零件變形和加工刀具的竄動(dòng)，針對(duì)該型號(hào)舵面在零件長度方向兩側(cè)留有工藝臺(tái)，其主要作用是在零件精銑輪廓時(shí)為工裝夾具做夾緊定位使用，同時(shí)需注意壓板不要超過工藝臺(tái)的寬度。最后，由于該型號(hào)舵面材料為鋁合金，硬度相對(duì)較低，且長度大于300 mm，在加工過程中精銑斜面輪廓時(shí)零件會(huì)產(chǎn)生形變，致使加工超差，因此在零件背部要設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，確保零件不會(huì)因刀具切削時(shí)沿Z軸負(fù)方向力產(chǎn)生形變，同時(shí)因?yàn)槠降足姷对谇邢髯叩哆^程中，銑刀抬刀時(shí)由于切屑原因產(chǎn)生沿Z軸正方向作用力，使零件產(chǎn)生沿Z軸正方向形變，也會(huì)影響加工精度，因此在零件加工時(shí)背部支撐結(jié)構(gòu)與零件接觸處按壓工業(yè)橡皮泥，根據(jù)實(shí)際加工情況來設(shè)定橡皮泥的多少[7]。針對(duì)該型號(hào)舵面特征設(shè)計(jì)了圖3所示的組合工裝，該組合工裝在實(shí)際加工制造過程中起到很好的夾緊、定位、消除零件變形的作用[8]。

圖3 組合工裝

2.3 具體實(shí)施

加工關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)如下所述。

1）備料。根據(jù)舵面零件的外廓尺寸，選取適宜尺寸的原料。此零件為鋁合金材料，因此采用留有加工余量的鋁合金板材。

2）粗銑長邊。利用數(shù)控銑床粗銑原料長邊輪廓，根據(jù)走刀方向利用定位塊做好定位，根據(jù)舵面外形兩長邊尺寸，單邊預(yù)留2 mm尺寸，為精銑輪廓圓角留有足夠加工余量，如圖4所示。

圖4 粗銑長邊

3）粗銑短邊。利用數(shù)控銑床粗銑原料短邊輪廓，由零件結(jié)構(gòu)可知舵面外形兩短邊為平行平面，故舵面外形兩短邊尺寸只需留有加工余量、切斷刀余量及工藝臺(tái)尺寸即可。需要注意的是，銑削兩短邊時(shí)，需要保證兩平面平行度及表面粗糙度，如圖5所示。

圖5 粗銑短邊

4）銑平面。根據(jù)舵面零件厚度最大值，去除備料的鋁板雙面余量，單邊保留1 mm加工余量，為精加工做好準(zhǔn)備。由于原料鋁板會(huì)存在微量彎曲變形，因此在銑平面的裝夾過程中，為了保證后續(xù)加工精度，不采用壓板壓緊進(jìn)行夾緊定位，只根據(jù)銑刀走刀方向采用周邊頂緊方式進(jìn)行定位夾緊，在周邊頂緊定位時(shí)需用膠錘敲實(shí)鋁板，使鋁板底面與工作臺(tái)最大限度貼合。該工序中，要根據(jù)鋁板變形曲率來設(shè)定兩平面加工余量，同時(shí)也要根據(jù)銑完平面后應(yīng)力變形導(dǎo)致的變形曲率等綜合因素進(jìn)行調(diào)整，此工序裝夾如圖6所示。

圖6 銑平面

5）自然時(shí)效。由于銑削原料鋁板兩平面后會(huì)有應(yīng)力變形，為了使應(yīng)力充分釋放，采用自然時(shí)效的方法，恒溫靜止擺放，自然放置48 h，可使工件內(nèi)部應(yīng)力得到充分釋放。

6）銑邊槽。根據(jù)舵面結(jié)構(gòu)特征，在舵面長度方向兩側(cè)分別留出精銑輪廓時(shí)所需的裝夾工藝臺(tái)，采用數(shù)控臥銑設(shè)備來銑削邊槽及精加工工藝臺(tái)，將自然時(shí)效后的舵面零件置于工裝回轉(zhuǎn)工作臺(tái)壓緊，一次裝夾分別銑削長邊兩側(cè)工藝臺(tái)，工藝臺(tái)是精銑輪廓的定位基準(zhǔn)，故需保證工藝臺(tái)尺寸及形狀位置公差，其具體尺寸如圖7所示。

圖7 銑邊槽

7）粗銑長斜面。將舵面零件置于兩塊根據(jù)斜面角度設(shè)計(jì)的楔塊上，將上道工序精銑后的兩側(cè)工藝臺(tái)作為裝夾定位基準(zhǔn)，輔以壓板壓緊，而楔塊固定于數(shù)控銑床工作臺(tái)，如此裝夾定位后，雙側(cè)銑削加工后零件長斜面角度得以保證，給精銑輪廓工序留有0.7 mm加工余量，如圖8所示。

圖8 粗銑長斜面

8）粗銑短斜面。將舵面零件置于兩塊根據(jù)斜面角度設(shè)計(jì)的楔塊上，將上道工序精銑后的兩側(cè)工藝臺(tái)作為裝夾定位基準(zhǔn)，輔以壓板壓緊，而楔塊固定于數(shù)控銑床工作臺(tái)，如此裝夾定位后，雙側(cè)銑削加工后零件的短斜面角度得以保證，保留0.7 mm加工余量給精銑輪廓工序，如圖9所示。

圖9 粗銑短斜面

9）自然時(shí)效。由于上兩道工序去除斜邊加工量較大，因此需要釋放零件內(nèi)部應(yīng)力，需恒溫靜止自然放置48 h，使應(yīng)力得到充分釋放。

10）精銑輪廓。該道工序采用如前所述的精銑輪廓工裝，同樣以零件工藝臺(tái)作為定位基準(zhǔn)夾緊，采用五軸數(shù)控加工中心精銑舵面輪廓線。兩側(cè)分別以壓板壓緊工藝臺(tái)，采用D16R0.2平底刀進(jìn)行長短斜面的精銑，采用φ8球頭刀精銑R角曲面，根據(jù)切削速度選定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式為

n=1000Vc/（πd）。

式中：d為刀具直徑，mm；n為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，r/min;Vc為切削速度。

根據(jù)機(jī)床參數(shù)和被加工材料的切削性能，選取n=8000 r/min。在精銑完一側(cè)后，精銑另外一側(cè)，每次精銑一側(cè)長短斜面時(shí)，另外一側(cè)支撐處均以工業(yè)橡皮泥粘緊，防止因主軸臺(tái)抬刀而使零件產(chǎn)生形變。當(dāng)精銑輪廓完畢后，在保證舵面長度尺寸，采用D5平刀銑削程序切斷工藝臺(tái)，切斷過程中兩側(cè)均保留0.2～0.3 mm余量，待加工完畢后由鉗工修正齊邊，如圖10所示。

圖10 精銑輪廓

11）終檢。檢測(cè)零件各個(gè)尺寸，確保零件合格。

3 結(jié)論

對(duì)此類舵面采取上述工藝措施后，保證了某鋁合金材質(zhì)舵軸零件加工的有效性，有效提高了加工效率、零件加工精度及表面質(zhì)量。對(duì)于同類舵面零件的高效加工具有一定的參考意義。