超高強度鋼梁零件表面質量提升技術

1 引言

超高強度的鋼抗拉強度高、韌性好，具有高比強度、高比模量等特點，被廣泛應用于航空、航天及國防等領域[1]，主要用于制造大中型梁類零件。當其表面質量較差時，零件會在使用過程中出現應力集中、塑形變形、配合性能差、耐化學腐蝕性差和壽命降低等多個問題[2]。本文將某超高強度鋼梁零件作為試驗件進行加工特征和工藝性分析，以CATIA V5 軟件為平臺，研究了典型試驗件的三維CAD模型主要結構特征和CAM五軸加工方法，并研究了基于CAD/CAM的虛擬仿真加工系統(tǒng)的體系構架、機床建模和編程策略；以VERICUT軟件為平臺，針對典型試驗件仿真研究加工策略對其表面質量的多元影響，開展對典型試驗件數字化加工過程的研究，對加工后表面質量進行記錄與分析，整理和總結了多元試驗中能夠有效提升超高強度鋼梁零件表面質量的技術方法，固化最優(yōu)加工策略，為相似超高強度鋼梁零件提升表面質量提供技術支持和儲備。

2 問題描述

2.1 超高強度鋼梁介紹

作為飛機主要承力部件，超高強度鋼梁零件存在多種典型結構用于實現裝配及承力功能，其表面質量是影響整體性能的主要因素之一，也是本文主要研究目標和方向。該超高強度鋼梁零件屬于典型雙面槽腔承力梁結構，涵蓋常見梁類零件的腹板、緣筋條、內外形、交點孔、槽口、減重孔和裝配孔等多項典型結構，具有高精度裝配要求的結構為交點孔、內形和裝配孔，具有低精度裝配要求的結構有外形和減重孔[3]。

2.2 表面質量問題

研究超高強度鋼梁零件表面質量提升技術主要是在現有加工基礎上對技術進行優(yōu)化和改進，因此要以現有加工技術和加工能力的效果為基點，進行更多的優(yōu)化改進工作。通過對生產現場調研，目前超高強度鋼梁零件存在的表面質量問題主要有：

(1)腹板結構表面質量差。腹板結構占據零件表面積的40%以上，承擔受力過程中的剪切力和拉應力，表面質量對應力分散和疲勞壽命要素影響顯著(見圖1a)。

(2)槽腔轉角表面質量差。轉角作為緣筋條過渡結構，是應力轉換的交點，其表面質量不佳易造成應力集中、裂紋等質量問題(見圖1b)。

(3)交點孔表面質量差。作為裝配過程中負責零件轉動、傳動的結構，其表面質量直接影響轉動靈活性及傳動性能的運行壽命(見圖1c)。

(a)腹板結構

(c)交點孔

95%的超高強度鋼梁零件表面質量問題均為以上三類，腹板和轉角表面質量差對零件疲勞壽命及受力強度等影響顯著，交點孔表面接刀棱明顯會嚴重干擾后續(xù)裝配的轉動靈活性，因此必須解決此類表面質量問題。

3 提升表面質量技術分析

依據當前生產能力及加工條件，從加工工藝技術角度出發(fā)，分別從加工刀具、加工策略和加工參數三方面對上述問題進行分析。

3.1 腹板表面質量提升多元試驗

通過分析多臺設備同時加工的結果，排除了機床設備和工裝夾具的因素，又因腹板加工策略固定為槽腔加工，工藝余量固定為0.5mm，故此問題主要集中在加工刀具和加工參數方面。按照多元試驗中單一變量原則，根據目前加工硬件條件，選擇D63、D32和D20三種加工刀具，進給速度設為50～1600mm/min共6種規(guī)格，綜合構建18組加工試驗，判斷影響腹板結構表面質量的因素，并探索提升腹板結構表面質量的技術方法，試驗參數見表1～表3。

表1 D63刀具多元試驗參數

表2 D32刀具多元試驗參數

表3 D20刀具多元試驗參數

以CATIA V5軟件為平臺，根據CAD三維模型編制加工程序，并以VERICUT軟件為平臺仿真研究加工策略(見圖2)。

圖2 編程及模擬仿真

通過分析加工后置程序，對超高強度鋼在試驗數據下進行試切加工，采用針描設備測量加工后工件表面粗糙度的波動情況，并繪制結果曲線(見圖3)。

圖3 加工表面接刀棱分析曲線

由圖可知，在精銑腹板結構表面時，D63刀具的加工表面質量明顯優(yōu)于D32刀具和D20刀具，加工表面質量隨D值增大而變差；當f<200mm/min時，腹板結構加工表面質量較好，隨著f增加，腹板表面質量明顯下降。

綜上所述，應采用D63規(guī)格刀具并設置f≈200mm/min對腹板結構進行精銑加工。對比實物驗證情況，腹板結構表面質量提升效果見圖4。

圖4 改進前后的加工效果對比

3.2 轉角表面質量提升技術分析

如圖5所示，轉角加工策略固定，拼接加工緣條和筋條，加工刀具和加工參數均與加工內形時一致，實際的加工內形表面質量較優(yōu)，故此項不是影響表面質量的因素。分析實際加工過程，因超高強度鋼零件在加工及熱處理過程中存在變形，致使加工保證零件緣條厚度尺寸時需偏置數值[4]；而筋條因強度高、尺寸小，且由同一刀具加工保證，故加工筋條厚度時無需偏置。此操作使緣條加工程序與理論加工位置發(fā)生偏移，而筋條加工程序無偏移，因此兩段程序交接處，即轉角加工區(qū)域會產生間隙或者重疊，導致零件轉角殘留或者過切。

(a)理論加過程

采用合并加工的方法對此類問題進行解決，將緣筋條程序對接點從轉角轉移至筋條中部，通過圓弧進刀方式規(guī)避接刀棱，從而實現轉角的優(yōu)化加工(見圖6)。通過實物加工驗證，該方法效果良好，轉角表面質量顯著提升。

圖6 優(yōu)化轉角加工刀具軌跡

3.3 交點孔表面質量提升技術分析

交點孔加工策略固定，加工工具均為對應合金數控鏜刀，故此其影響因素應為鏜削進給速度。鏜削進給速度設為5～120mm/min，共8組，分別采用不同進給速度鏜制交點孔，測量加工后表面質量并繪制曲線圖(見圖7)。

圖7 孔壁表面質量加工結果曲線

由圖可得，鏜制D30H7交點孔時，當進給速度f≤50mm/min時，加工后孔內表面質量較好，將此應用在加工零件實物上，加工后其表面質量顯著提升，證明此參數及相應鏜制技術能夠滿足該類超高強度鋼梁零件上交點孔的加工要求。

4 結語

本文分析了超高強度鋼現場加工表面質量情況，在CATIA V5和VERICUT等數字化編程處理軟件上進行仿真，通過多元試驗進行分析對比，總結加工驗證成果，得到如下結論。

(1)應選用較大直徑的刀具精加工超高強度鋼梁零件腹板。與鈦合金零件不同，小直徑刀具加工后其表面質量及粗糙度無法達到最優(yōu)，以D63規(guī)格刀具為例，加工腹板去除余量0.5mm，切削速度f=200mm/min時，可實現質量效率最優(yōu)配比目標。

(2)超高強度鋼梁零件轉角加工時，應盡量避免采用緣條、筋條獨立加工接合的方式，改為采用緣筋條合并分段、轉移交接點的方式進行加工，這樣能夠有效避免轉角接刀不順滑的問題，顯著提升轉角質量。

(3)超高強度鋼的材料加工性能特殊，在鏜制交點孔等裝配要求較高的孔結構時，進給速度f應設為25～50mm/min，進給速度過大或過小都會使孔內壁表面質量下降。

通過采用上述提升超高強度鋼零件表面質量的技術，能夠有效實現表面質量提升的目標，可以更加充分和良好地發(fā)揮零件的裝配和使用性能，其相關技術能夠用于其他相似的超高強度鋼梁類零件，為超高強度鋼材料以及梁類零件提升表面質量提供技術支持和幫助。