航空控制器箱體加工技術(shù)

趙青松

貴州航空工業(yè)技師學(xué)院 貴州貴陽 550025

1 序言

目前，由于在航空機(jī)載產(chǎn)品研制領(lǐng)域，要求對機(jī)載產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，因此多數(shù)航空器機(jī)載產(chǎn)品在滿足使用要求（功能、性能、強(qiáng)度和剛度等）的前提下，大都采用輕質(zhì)材料加工薄壁結(jié)構(gòu)件[1]。例如，某航空起?？刂葡渥鳛榘l(fā)動機(jī)起?？刂葡到y(tǒng)的關(guān)鍵零件，內(nèi)部安裝控制電路板及各種信號指示元器件，要求其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，且具有良好的散熱效果，并能在持續(xù)振動的環(huán)境中穩(wěn)定工作。

為滿足上述要求，該箱體零件采用航空鋁材，并在滿足散熱、強(qiáng)度等前提下進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。由于在加工過程中易變形[2]，導(dǎo)致零件合格率低，影響了產(chǎn)品的交付進(jìn)度，對航空器整體研制進(jìn)度影響較大，因此對該零件防變形加工技術(shù)的研究勢在必行。

2 關(guān)鍵因素的識別

該箱體零件采用7075航空鋁材，結(jié)構(gòu)如圖1所示。零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，壁薄，加工易變形，同時(shí)，內(nèi)型腔拐角半徑6mm，四周具有安裝控制旋鈕的孔系及螺紋孔，且有均布的方格加強(qiáng)筋深3mm、寬2.5mm；方格尺寸長45mm、寬32mm，底部有厚2mm、深44mm、槽寬4mm的散熱片20片，并在箱體長、寬度方向兩側(cè)有用于部件安裝的支座，加工難度較大。

3 防變形加工技術(shù)

3.1 工藝方案

由于該零件的材料為鋁合金，結(jié)構(gòu)為箱體且壁薄，內(nèi)型腔為深腔且拐角圓弧較小，因此很大程度上限制了精加工刀具的選擇。如果用傳統(tǒng)的三軸數(shù)控機(jī)床加工，刀具長徑比達(dá)14，剛性差，為了滿足加工精度要求，加工效率低。為了滿足使用的強(qiáng)度要求，坯料采用的是整體實(shí)心鋁材，在機(jī)床切削過程中，會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力變形，出現(xiàn)加工振動等問題。為了提高加工效率，保證加工精度，降低制造成本，制定了如下加工工藝方案：毛坯準(zhǔn)備→加工工藝螺紋孔→加工中心粗加工→人工時(shí)效→加工中心半精加工→加工中心精加工。

（1）毛坯準(zhǔn)備 為了保證零件最終的使用強(qiáng)度，采用熱軋鋁板為毛坯材料，尺寸為長360mm，寬340mm，厚度185mm。厚度方向是機(jī)壓面，相對平整。

（2）加工裝夾螺紋孔 為了滿足下一工序的裝夾需求，在毛坯材料頂面，X軸和Y軸方向分中，沿零件前后兩側(cè)各加工3個深20mm的M10螺紋孔。螺紋孔的位置如圖2所示。

圖2 螺紋孔的位置

（3）粗加工零件外形 為了減少加工時(shí)的裝夾次數(shù)，提高零件的加工效率，在粗加工外形的四周和底面時(shí)，采用一次裝夾在五軸加工中心上定向加工完成。將一塊厚30mm的工裝板和毛坯材料用6顆M10螺釘聯(lián)接，再把工裝板安裝在五軸加工中心的工作臺上，根據(jù)箱體零件3D模型進(jìn)行定向粗加工四周及底面，單邊留余量3mm。刀具選擇直徑50mm的鋁用面銑刀，刀齒數(shù)為4齒。切削參數(shù)：切削速度vc=540m/min，進(jìn)給量f=0.15mm/r，背吃刀量ap=5mm。

（4）粗加工零件內(nèi)型腔 為了解決粗加工時(shí)的深腔排屑和刀具剛性不足問題，在此工序中，用虎鉗夾持零件前后兩側(cè)面，在三軸加工中心上根據(jù)箱體零件3D模型粗加工零件內(nèi)型腔，單邊留余量3mm。刀具選擇直徑32mm帶內(nèi)冷系統(tǒng)的U鉆，有效長度175mm。改進(jìn)傳統(tǒng)的徑向切削為軸向插銑，減小刀具在加工深腔時(shí)的振動，增強(qiáng)排屑性能，提高加工效率。切削參數(shù)：切削速度vc=180m/min，進(jìn)給量f=0.1mm/r。

（5）穩(wěn)定處理 時(shí)效處理：為了消除箱體零件切削加工后的內(nèi)應(yīng)力，先進(jìn)行冷卻，溫度為-100℃，保溫2h；空冷回溫至室溫后保持大于3h，再進(jìn)行熱時(shí)效，溫度185～195℃，保溫2～3h；爐冷至80℃后空冷，穩(wěn)定零件材料組織和尺寸。

（6）半精加工外形（底面方格及散熱片、四周壁面方格及孔系） 在去除完大部分材料后，零件的質(zhì)量大幅度降低，壁面余量基本均勻，前一熱處理工序?yàn)榘刖庸ず途庸ぬ峁┝速|(zhì)量保證的基礎(chǔ)。為了在精加工工序能減小零件的裝夾受力變形，去除材料應(yīng)力變形等因素，完全保證零件的尺寸、幾何公差及表面粗糙度要求，以頂面的安裝螺紋孔和工裝板安裝，把工裝板安裝在五軸加工中心上，對該零件進(jìn)行半精加工，使零件各壁的余量更少，單邊保證余量0.2mm。具體工步如下。

1）半精加工底面方格型腔，方格型腔頂面、底面和側(cè)面各留余量0.2m m。刀具規(guī)格為D5mmR0.2mm的3刃整體硬質(zhì)合金圓鼻銑刀，應(yīng)用平面銑方式半精加工方格型腔頂面和底面，輪廓銑方式半精加工方格型腔側(cè)面。切削參數(shù)：切削速度vc=90m/min，進(jìn)給速度vf=1500mm/min，背吃刀量ap=0.1mm。側(cè)吃刀量ae=3mm。

2）散熱片粗加工，深度及側(cè)面留余量0.1mm。采用刃部直徑3.5mm、刃部長12mm、齒數(shù)3刃、有效加工深度45mm、頸部直徑3.3mm以及柄部直徑5mm的鋁用整體硬質(zhì)合金加長立銑刀。采用動態(tài)銑削方法[2]，以減小刀具的切削力，最大限度地有效利用刀具刃長。切削參數(shù)：切削速度vc=90m/min，進(jìn)給速度vf=1500mm/min，背吃刀量ap=10mm，側(cè)吃刀量ae=0.15mm。

3）半精加工四周壁面方格型腔及孔系。各面留余量0.2mm。用直徑8mm的3刃鋁用合金立銑刀，半精加工四周壁面方格型腔的頂面、底面及孔系側(cè)面。選用D5mmR0.2mm的3刃整體硬質(zhì)合金圓鼻銑刀，應(yīng)用輪廓銑方式半精加工方格型腔側(cè)面，保證側(cè)面及拐角圓弧余量均勻。

（7）半精加工零件頂面、內(nèi)型腔側(cè)面及底面 在該工序中，由于工件型腔深，拐角圓弧小，采用傳統(tǒng)的三軸加工方案所選用的刀具長徑比較大，刀具剛性不足，加工過程中刀具本身振動大，切削過程中會和薄壁產(chǎn)生共振，導(dǎo)致零件尺寸及表面質(zhì)量難以保證[3]，因此，在本工序以工件底面、前側(cè)面和左側(cè)面定位，以4個支座壓緊，在五軸機(jī)床上完成箱體頂面及內(nèi)型腔的加工，切掉前工序用于和工裝板聯(lián)接的工藝螺紋孔。具體工步如下。

1）用φ8mm立銑刀加工箱體頂面并切掉前工序用于和工裝板聯(lián)接的工藝螺紋孔。切削參數(shù)：切削速度vc=100m/min，進(jìn)給速度vf=1200mm/min，背吃刀量ap=0.1mm，側(cè)吃刀量ae=6mm。

2）用直徑20mm的鋁用合金立銑刀加工箱體型腔內(nèi)底大面。切削參數(shù)：切削速度vc=50m/min，進(jìn)給速度vf=1000mm/min，背吃刀量ap=0.1mm，側(cè)吃刀量ae=15mm。

3）用直徑10mm、輪廓半徑300mm、刀尖圓弧半徑2mm的橢圓形銑刀[4]，采用超弦精加工的方式加工箱體內(nèi)壁和底面清根。因?yàn)樵谑褂贸壹庸r(shí)，五軸機(jī)床跟隨加工深度的變化不斷改變加工角度，把原來刀具14倍的長徑比縮小到6倍，所以解決了刀具剛性不足的問題，提高了加工效率[3]，保證了零件質(zhì)量。

（8）精加工頂面及內(nèi)型腔 通過前面的粗加工和半精加工，箱體零件的壁厚為2.9mm，在精加工過程中，切削參數(shù)、夾緊力及加工過程中的溫度變化等均會對零件質(zhì)量產(chǎn)生影響。在薄壁箱體零件加工過程中，箱體的四壁會在加工完成后向箱體內(nèi)部變形，為減小箱體壁的向內(nèi)變形量，精加工時(shí)先加工箱體內(nèi)型腔，完成后，用專用工裝支撐箱體內(nèi)型腔，再精加工外形及底面各孔系及形狀。在本工序以工件底面、前側(cè)面和左側(cè)面定位，以4個支座壓緊，每個支座的壓緊力用扭力扳手測力為35N。在五軸機(jī)床上完成箱體頂面及內(nèi)型腔加工。具體工步如下。

1）用φ8mm立銑刀加工箱體頂面。切削參數(shù)：切削速度vc=100m/min，進(jìn)給速度vf=800mm/min，背吃刀量ap=0.03mm，側(cè)吃刀量ae=6mm。

2）用直徑20mm的鋁用合金立銑刀加工箱體型腔內(nèi)底大面。切削參數(shù)：切削速度vc=50m/min，進(jìn)給速度vf=500mm/min，背吃刀量ap=0.02mm，側(cè)吃刀量ae=15mm。

3）用直徑10mm、輪廓半徑300mm、刀尖半徑2m m的橢圓形銑刀[4]，采用超弦精加工的方式加工箱體內(nèi)壁和底面清根。切削參數(shù)：切削速度vc=70m/min，進(jìn)給速度vf=500mm/min，背吃刀量ap=0.05mm，側(cè)吃刀量ae=3mm。

4）加工箱體頂面及內(nèi)型腔的深6mm、ST3絲套螺紋，深7mm、直徑3.2mm底孔。

5）用φ6mm×45°倒角刀加工頂面各棱邊及孔口0.2mm×45°倒角。

通過該工序的精加工，箱體頂面及內(nèi)型腔的各尺寸均得到保證，表面粗糙度值R a達(dá)到0.8～1.6μm。

（9）精加工外形及孔系 在該工序中，用專用夾具支撐箱體內(nèi)型腔及頂面，在五軸機(jī)床上定向精加工箱體四周外形方格型腔、孔系、絲套螺紋底孔、底面方格型腔、底面絲套螺紋底孔、散熱片、各棱邊及孔口倒角[5]。具體工步如下。

1）精加工底面方格型腔頂面、底面和側(cè)面。采用D5mmR0.2mm的3刃整體硬質(zhì)合金圓鼻銑刀，應(yīng)用平面銑方式半精加工方格型腔頂面和底面，輪廓銑方式半精加工方格型腔側(cè)面。切削參數(shù)：切削速度vc=100m/min，進(jìn)給速度vf=600mm/min，背吃刀量ap=0.03mm，側(cè)吃刀量ae=3mm。

2）精加工散熱片。采用刃部直徑3.8mm、刃部長12mm、齒數(shù)3刃、有效加工深度45mm、頸部直徑3.5mm、柄部直徑5mm的鋁用整體硬質(zhì)合金加長立銑刀。采用輪廓銑削方法，最大限度地有效利用刀具刃長。切削參數(shù)：切削速度vc=60m/min，進(jìn)給速度vf=200mm/min，背吃刀量ap=10mm，側(cè)吃刀量ae=0.02mm。

3）精加工四周壁面方格型腔及孔系。選用D5mmR0.2mm的3刃整體硬質(zhì)合金圓鼻銑刀，精加工四周壁面方格型腔的頂面、底面及孔系側(cè)面，應(yīng)用輪廓銑方式精加工方格型腔側(cè)面。

通過該工序的精加工，箱體四周外形、底面及箱體整體的各尺寸均得到保證，表面粗糙度值Ra達(dá)到0.8～1.6μm。

3.2 夾具方案

針對零件精加工外形及孔系的工藝要求，采用了可調(diào)節(jié)專用夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體如圖3所示。

圖3 夾具

在該夾具中，工件安裝時(shí)，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘1和調(diào)節(jié)螺釘2，讓楔緊塊1和楔緊塊2向后退，使滑塊1和滑塊2順著燕尾導(dǎo)軌向內(nèi)縮，有足夠的間隙保證箱體內(nèi)型腔能輕松地扣在夾具體上。再旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘1和調(diào)節(jié)螺釘2，讓楔緊塊1和楔緊塊2向前進(jìn)，使滑塊1和滑塊2順著燕尾導(dǎo)軌向外撐，在此過程中，為了使箱體零件不會向上脫落，需要用手進(jìn)行輔助。安裝好后，用0.03mm的塞尺檢查箱體頂面與夾具底板是否貼合，以保證安裝到位。

4 效果驗(yàn)證

通過該工藝方案和專用夾具，保證了航空控制器箱體零件的加工精度，在不同加工階段，通過采用不同的夾具、刀具和切削參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了精密薄壁鋁材箱體零件的定位夾緊，解決了在夾緊力作用下產(chǎn)生的變形問題?？梢约庸?.5～4mm壁厚的鋁箱體零件，尺寸公差＜0.05mm，表面粗糙度值Ra＜1.6μm，幾何公差也能保證＜0.05mm。本操作方法適用于各種精密薄壁鋁箱體零件加工，定位精度高，操作簡單，裝卸工件方便，夾緊力均勻作用在裝夾工件上，可根據(jù)不同情況進(jìn)行調(diào)整。加工范圍廣、適用性強(qiáng)。

5 結(jié)束語

通過分析起?？刂葡浣Y(jié)構(gòu)和重要尺寸特征，選擇合適的加工基準(zhǔn)，確定精加工裝夾及找正方式和粗、精加工的劃分，最終制定合理可行的加工工藝方案。通過防變形措施，選擇合適的精加工切削方式及刀具，設(shè)置合適的切削參數(shù)，安排工步順序，保證了重要尺寸的精度及要求，并最終根據(jù)工藝方案和重要尺寸的保證措施，加工生產(chǎn)出了合格的控制器箱體零件，為薄壁鑄鋁箱體零件的加工提供了參考。