航空薄壁機匣加工顫振及切削參數(shù)優(yōu)化

劉志學(xué)，胡登洲，高曦

成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空裝備制造產(chǎn)業(yè)學(xué)院

1 引言

航空發(fā)動機機匣是航空發(fā)動機的核心零件，作為整個發(fā)動機的底座，具有外形復(fù)雜、壁薄、材料難加工和尺寸精度高等典型特征，加工時的材料切除率達到60%以上，因此，提高機匣加工質(zhì)量及加工效率對保證航空發(fā)動機質(zhì)量和發(fā)展我國航空發(fā)動機行業(yè)具有重要意義[1-3]。機匣加工技術(shù)一直是發(fā)達國家對我國進行封鎖的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是加工工藝和專用編程軟件[4]。目前，我國機匣制造水平和發(fā)達國家仍有較大差距，主要表現(xiàn)在制造時間長、制造質(zhì)量不穩(wěn)定和加工成本高等方面，這些因素成為制約我國航空工業(yè)發(fā)展的瓶頸[5，6]。

本研究圍繞學(xué)院創(chuàng)新基地對外承接的產(chǎn)品試制優(yōu)化項目，對原有機匣加工工藝進行優(yōu)化[7-13]，以完成每年100件機匣的批量生產(chǎn)任務(wù)。原有機匣工藝采用五軸加工中心進行精加工，但專用夾具設(shè)計存在缺陷，且對機床操作人員經(jīng)驗要求高，若裝夾方法不當(dāng)或夾緊力不合適會產(chǎn)生變形過大的情況，從而造成超出技術(shù)要求、加工報廢率高等問題?，F(xiàn)有措施是提高切削參數(shù)來保證加工質(zhì)量，但工件會發(fā)生顫振，導(dǎo)致加工效率明顯下降。針對上述問題優(yōu)化專用夾具，并利用SPIKE測力儀對加工刀具進行加工參數(shù)的金屬切削實驗[14-16]，獲得刀具軸向力、彎矩和扭矩數(shù)據(jù)，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法得到最優(yōu)的切削參數(shù)。

2 機匣特征及加工工藝分析

機匣是薄壁復(fù)雜的曲面零件，其零件尺寸如表1所示。葉身所有型面、葉身與葉櫞均需光順過渡，按照HB 5800—1999檢測公差。機匣正、反面的三維模型如圖1和圖2所示。

表1 機匣的尺寸參數(shù)

圖1 機匣正面

圖2 機匣反面

機匣毛坯采用鍛件LD10-T6固溶處理鋁合金，該合金加工費刀且變形量大。經(jīng)粗加工—自然時效96h—半精加工—人工時效—精加工等系列工序加工完成合格的機匣。采用如圖3所示的制造工藝對機匣進行數(shù)控加工，采用寶雞機床廠CK7525A斜床身數(shù)控車床對機匣內(nèi)外圓柱和圓弧表面進行粗加工；采用富裕三軸數(shù)控機床對葉片周邊進行粗加工，并留足夠的余量，并在自然時效去除應(yīng)力；采用車床進行精加工，以保證內(nèi)外圓柱面精度尺寸和粗糙度，內(nèi)孔為后續(xù)五軸加工基準；使用米克朗UCP800五軸數(shù)控機床對葉片進行正、反面精加工；最終進行三坐標(biāo)檢測，并得出檢測報告，若合格則交付客戶。

圖3 機匣加工制造流程

3 夾具缺點分析和新加工方案

3.1 傳統(tǒng)專用夾具缺點

采用五軸加工中心加工機匣葉片，五軸機床專用夾具如圖4所示，機匣和專用夾具裝配如圖5所示。五軸聯(lián)動加工機匣葉片的加工效率低，葉片一端精加工超過40h，反面加工超過30h，共計超過70h，同時葉片的加工變形大，尺寸難以控制。

圖4 原專用夾具

圖5 機匣和原夾具裝配

雖然采用上述加工方案能加工出合格產(chǎn)品，但加工零件報廢率高，且加工效率低，不能在規(guī)定時間段滿足客戶的加工數(shù)量要求。若為了提高加工效率而采用高進給速度和高轉(zhuǎn)速進行加工，則工件會發(fā)生顫振，導(dǎo)致工件變形或報廢(見圖6)。

圖6 報廢產(chǎn)品

3.2 加工方案優(yōu)化

3.2.1 夾具方案優(yōu)化

采用原有專用夾具進行裝夾時，切削參數(shù)如表2所示。在該情況下，加工效率低，刀具鋒利，加工出的產(chǎn)品表面粗糙度基本滿足要求。原因分析如下：低轉(zhuǎn)速和低進給速度的加工條件導(dǎo)致加工效率低，提高轉(zhuǎn)速和進給速度則工件會發(fā)生顫振；刀具切削LD10-T6材料時磨損較快，加工2個葉片端部就需要更換刀具，并要重新進行對刀操作才能滿足葉片表面粗糙度要求，技術(shù)人員需多次謹慎操作，否則可能會因?qū)Φ秵栴}而使零件報廢。

表2 原切削參數(shù)

為解決上述問題，提出了以下工藝優(yōu)化方案：

(1)對現(xiàn)有專用夾具進行優(yōu)化。增加薄壁零件整體剛性，在舊夾具上增加支撐機匣壁的部件(見圖7)，圓盤對內(nèi)壁有支撐，通過圓盤上弧形槽旋轉(zhuǎn)下表面的6個小長方形塊，使小長方形塊一端頂住內(nèi)壁表面，使機匣內(nèi)外表面成為一個整體，薄壁機匣剛性顯著提高，提高轉(zhuǎn)速和進給速度后工件未發(fā)生顫振情況。優(yōu)化后的夾具裝配、夾具爆炸、機匣和專用工裝裝配三維圖分別如圖8～圖10所示。

(2)通過提高加工轉(zhuǎn)速和進給速度，可以提高表面粗糙度和加工效率。圖11為實際產(chǎn)品和工裝的裝配。

圖7 優(yōu)化后增加部件

圖8 優(yōu)化后專用夾具

圖9 夾具整體爆炸圖

圖10 優(yōu)化后的夾具裝配

圖11 實際產(chǎn)品和工裝裝配

3.2.2 切削參數(shù)優(yōu)化

在瑞士UCP800多軸數(shù)控機床上進行金屬切削實驗，并得到最佳切削參數(shù)，采用德國SPIKE無線測力儀檢測刀具切削力和力矩。SPIKE測力儀直接安裝在刀柄或主軸內(nèi)部，通過內(nèi)部蓄電池供電，將切削力無線傳輸?shù)浇邮掌骱蜋C床控制系統(tǒng)。實驗設(shè)備如圖12所示。

采用四因素(切削深度ap、進給速度f、切削速度vc和切削寬度ae)四水平進行正交實驗，其中切削速度為

式中，n為轉(zhuǎn)速；d為刀具直徑。

圖12 實驗設(shè)備

精加工刀具為φ8mm錐形球頭銑刀，轉(zhuǎn)速為8000r/min，10000r/min，12000r/min，14000r/min，計算得到對應(yīng)的切削速度分別為0.2m/min，0.25m/min，0.3m/min，0.35m/min；進給速度采用600mm/min，800mm/min，1000mm/min，1200mm/min；切削深度為0.5mm；切削寬度為0.1mm，0.12mm，0.14mm，0.15mm，其正交實驗表和測試結(jié)果如表3所示。

表3 正交實驗條件和X，Y方向平均切削力

對鋁合金薄壁零件進行切削實驗，通常采用切削力經(jīng)驗公式，即指數(shù)經(jīng)驗公式[17，18]，有

(1)

式中，CFi為刀具材料與工件材料共同決定的系數(shù)；b1，b2，b3，b4分別為切削深度ap、進給速度f、切削速度vc、切削寬度ae的指數(shù)。

通過多組實驗測得切削力和切削參數(shù)值，求解出多元線性方程為

(2)

通過MATLAB軟件編程并采用最小二乘法計算出b0，b1，b2，b3，b4，其中CFi=eb0，分別求出X和Y方向的經(jīng)驗公式為

(3)

4 多目標(biāo)優(yōu)化切削參數(shù)

依據(jù)切削經(jīng)驗公式和優(yōu)化條件優(yōu)化φ8mm錐形球頭銑刀。

優(yōu)化目標(biāo)：切削力小，控制變形；金屬去除率Q；表面粗糙度控制在Ra0.8～1.6μm之間。

金屬材料去除率Q的公式為

(4)

在切削加工實驗中，球頭銑刀的X，Y方向的切削力較大，以球頭銑刀X，Y方向的徑向力為優(yōu)化目標(biāo)，利用MATLAB軟件的Fgoalattain函數(shù)進行多目標(biāo)優(yōu)化[19，20]，一般Fgoalattain優(yōu)化函數(shù)結(jié)構(gòu)為

[X，F(xiàn)val]=Fgoalattain(Fun，X0，Goal，
Weight，A，B，Aeq，Beq，Lb，Ub，Nonlcon)

多目標(biāo)優(yōu)化后，φ8mm錐形球頭銑刀切削參數(shù)如表4所示。

表4 Φ8mm錐形球頭銑刀的切削參數(shù)

采用上述優(yōu)化后的參數(shù)對實際產(chǎn)品零件進行驗證，通過SPIKE分析軟件獲得刀具軸向力、扭矩和彎矩的綜合分析曲線(見圖13)，其中，X和Y方向彎矩如圖14所示。

圖13 軸向力、扭矩和彎矩綜合實驗數(shù)據(jù)分析

圖14 X和Y方向彎矩分析

根據(jù)SPIKE分析軟件功能和實際加工聲音，綜合預(yù)測刀具精加工葉片的數(shù)量，通過極坐標(biāo)矢量變化判斷刀具損壞和磨損情況。如圖15a所示，四葉草花瓣最小且分布均勻，說明刀具鋒利；圖15b中圖形變大且均勻，說明刀具整體有磨損，彎矩變大；圖15c的四葉草缺少一個花瓣，則判斷刀具的一個切削刃被損壞。通過多次實驗得出，一把刀具可以精加工四片葉片的端部。 經(jīng)過上述優(yōu)化，加工完成的合格產(chǎn)品見圖16。

(a)新切削刃 (b)切削刃磨損 (c)切削刃破損

圖16 加工完成的合格機匣

5 結(jié)語

通過理論和實踐相結(jié)合的方法對航空薄壁機匣加工工藝進行優(yōu)化。使用SPIKE測力儀測量切削加工實驗中刀具的切削力和力矩，并結(jié)合數(shù)學(xué)線性回歸求解出切削力經(jīng)驗公式，采用MATLAB軟件編程對切削參數(shù)進行多目標(biāo)優(yōu)化，并采用SPIKE測力儀進一步驗證，得出以下結(jié)論。

(1)工件表面加工質(zhì)量得到提高。采用改善后的專用夾具和切削參數(shù)，工件不再發(fā)生顫振現(xiàn)象，加工表面粗糙度可控制在Ra0.8～1.6μm之間，加工變形量滿足設(shè)計要求。

(2)切削性能穩(wěn)定，加工效率提高。一把刀具切削加工的葉片數(shù)量從2片增加到4片，加工刀具數(shù)量減少一半，加工時間縮短約50%，滿足加工時間節(jié)點要求。

(3)成本投入大幅降低。五軸機床加工費用280元/h，節(jié)約成本1.1萬元/件，同時還可以節(jié)省刀具修磨費用。通過上述工藝優(yōu)化，承接機匣加工項目，附加值大幅提高。