谷 妍，王德生

（中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán)）有限公司數(shù)控加工廠，遼寧 沈陽(yáng) 110850)

高比強(qiáng)度、高比剛度的輕量化，是現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)和制造的核心目標(biāo)之一。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，現(xiàn)代航空產(chǎn)品在選擇高比強(qiáng)度材料的同時(shí)，大量采用具有較低結(jié)構(gòu)重量比的整體結(jié)構(gòu)。但是整體結(jié)構(gòu)件由單一毛坯切削加工而成，金屬去除率大、材料利用率低，在去除大量材料的同時(shí)，也釋放了大量的毛坯內(nèi)應(yīng)力，從而引發(fā)了加工變形超差的問題，并將影響產(chǎn)品裝配和使用性能，所以整體結(jié)構(gòu)件的加工，對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)提出了更高的要求。

翼身融合整體框是近年來(lái)出現(xiàn)的飛機(jī)大型構(gòu)件的一種新的結(jié)構(gòu)形式，比較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有非常大的優(yōu)勢(shì)，它代表了未來(lái)飛行器大型構(gòu)件設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 零件分析

翼身融合整體框，是將機(jī)身整體框與機(jī)翼長(zhǎng)梁合為一體的結(jié)構(gòu)形式，其主要特點(diǎn)是尺寸非常大，金屬去除率非常高，零件結(jié)構(gòu)特殊。另外，由于材料狀態(tài)等多方面原因，勢(shì)必造成加工中產(chǎn)生較大的變形。因此應(yīng)當(dāng)認(rèn)真分析零件的特點(diǎn)、材料特性、零件工藝性等，尋找新的加工思路和加工方法。

以某機(jī)型翼身融合整體框?yàn)槔ㄒ妶D1），對(duì)此類結(jié)構(gòu)的零件加工方法進(jìn)行論述，其主要特點(diǎn)如下：

（1）零件結(jié)構(gòu)為中間框與兩側(cè)長(zhǎng)梁相結(jié)合，雙面多型腔，筋高壁薄。

（2）存在“閉角”和“雙曲外緣”等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，外形要符合機(jī)身理論外形和進(jìn)氣道理論外形，精度要求非常高。

（3）金屬去除率高達(dá)97.63%。

圖1 零件模型

2 材料及應(yīng)力分析

2.1 殘余應(yīng)力

材料或毛坯在制造過程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，是導(dǎo)致變形的主要力量。由于鍛壓或擠壓的過程，使得材料內(nèi)部產(chǎn)生了巨大的應(yīng)力，經(jīng)過熱處理和時(shí)效或預(yù)拉伸等工藝方法，消除了大部分的應(yīng)力，但不可能完全消除，剩余的就是殘余應(yīng)力。

其分布基本是：外層為壓應(yīng)力，內(nèi)層為拉應(yīng)力，力的平衡保持了結(jié)構(gòu)的形狀不變。由于零件加工都是首先破壞外層表面，而且不可能在一瞬間去除。這樣就出現(xiàn)了應(yīng)力的重新分布并表現(xiàn)出來(lái)。因首先加工的一側(cè)，隨著切削作用應(yīng)力被去除，內(nèi)層的拉應(yīng)力起作用，同時(shí)另一側(cè)的外層的壓應(yīng)力也發(fā)生作用，共同作用的結(jié)果，使結(jié)構(gòu)向被加工一側(cè)產(chǎn)生變形。隨著加工的不斷進(jìn)行，應(yīng)力也隨之不斷地變化，重新組合，當(dāng)加工結(jié)束時(shí)，變形也就產(chǎn)生了。

2.2 材料應(yīng)力分析

翼身融合整體框是采用大型預(yù)拉伸厚板做毛坯，軋制和拉伸處理的難度較大。

毛坯不同位置所含內(nèi)應(yīng)力并不一致，主要體現(xiàn)為兩位置同一厚度上的應(yīng)力幅值不一致，無(wú)論是長(zhǎng)度方向還是寬度方向的主應(yīng)力，均有15%左右的波動(dòng)。應(yīng)力幅值變化劇烈，對(duì)后續(xù)工藝流程設(shè)計(jì)，必將產(chǎn)生較大影響。所以工藝流程設(shè)計(jì)，應(yīng)主要圍繞如何通過加工逐漸消除殘余應(yīng)力來(lái)展開。

2.3 變形形態(tài)分析

翼身融合整體框是集梁、框于一體，其變形狀態(tài)應(yīng)該集梁類零件和框類零件的變形特點(diǎn)于一體，大致有以下幾種情況：翹曲、側(cè)彎、扭曲、局部腹板凸起，同時(shí)，由于零件尺寸非常大，也會(huì)因自重而引起零件變形。

3 工藝方案的分析與論證

零件從毛料加工到成品的整個(gè)過程中，合理的工藝流程設(shè)計(jì)，是非常必要和重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

3.1 粗加工方案設(shè)計(jì)

粗加工工藝方案是整個(gè)零件加工工藝方案的重中之重。因?yàn)榻^大部分的余量，都是在粗加工時(shí)去除，大部分殘余應(yīng)力，也是通過粗加工釋放出來(lái)，如何進(jìn)行粗加工工藝方案設(shè)計(jì)，是需要認(rèn)真思考的。

（1）粗銑中間段及過渡段。零件由中間框體過渡到兩端長(zhǎng)梁，截面尺寸變化較大的位置，比較容易發(fā)生彎曲變形，中間小區(qū)域內(nèi)的變形，將導(dǎo)致零件撓度非線性增加，因此中間區(qū)域和兩側(cè)過渡區(qū)域，是加工變形控制的重點(diǎn)。

為此，在粗加工前對(duì)這3個(gè)區(qū)域進(jìn)行局部粗加工，提前釋放應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)應(yīng)力，以減少對(duì)后續(xù)工序的影響。具體加工方法：交替反復(fù)加工兩面中間段和過渡段。

（2）粗銑其他部位內(nèi)外形。若按照傳統(tǒng)的雙面框和梁的加工思路，可先將一面粗銑完成后，再翻面粗銑另外一面，當(dāng)粗銑第一面后，失去平衡的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，將導(dǎo)致較大的變形，容易造成零件局部發(fā)生塑性變形。針對(duì)這一情況，不能一次將一側(cè)粗銑余量全部去除，需要對(duì)零件雙面粗銑的余量去除方案進(jìn)行優(yōu)化，需要幾次翻面，反復(fù)進(jìn)行粗銑，盡量使零件每次翻面前，去除的余量最大，從而保證加工品質(zhì)。

（3）值得注意的3個(gè)問題。

其一，粗銑時(shí)，為了零件反復(fù)翻面時(shí)的有效定位，且利于后續(xù)加工，筋條高和緣條高暫不加工。

其二，零件腹板上有若干大圓孔，大圓孔通常在零件加工接近尾聲時(shí)切斷，由于圓孔處在腹板上，而腹板在厚度方向的中間位置，切斷圓孔時(shí)缺少有力支持，切斷時(shí)零件必將會(huì)發(fā)生震顫。另外，由于零件尺寸大，懸空面積也非常大，中間缺少支撐點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)工藝方案時(shí)，考慮在圓孔處預(yù)留出工藝凸臺(tái)，工藝凸臺(tái)在零件的整個(gè)加工過程中起到很好的輔助支持的作用，在零件最終切斷時(shí)一并去除。

其三，為了增強(qiáng)零件在整個(gè)加工過程中的穩(wěn)定性，零件進(jìn)氣道處的兩個(gè)大圓孔中心的圓形毛料及零件外形周圍的毛料，在加工過程中不去除，起到定位及增強(qiáng)穩(wěn)定性的作用，在最終切斷時(shí)去除。

3.2 充分自然時(shí)效

粗銑后，在自由狀態(tài)下充分自然時(shí)效，自然時(shí)效是一個(gè)充分釋放內(nèi)應(yīng)力的過程。

自然時(shí)效需要在常溫下，將零件擺放在一個(gè)光潔平整的平臺(tái)上，根據(jù)鋁合金時(shí)效變形試驗(yàn)結(jié)果，72 h后撓度變化趨于平穩(wěn)，所以零件必須充分自然時(shí)效72 h。3.3銑上、下兩平面→半精銑內(nèi)外形→精銑內(nèi)外形并切斷

4 加工方式及加工設(shè)備的選擇

（1）加工方式選擇。零件加工方式采用高速加工。高速加工是現(xiàn)時(shí)的一種發(fā)展趨勢(shì)，其具有高轉(zhuǎn)速、快進(jìn)給、輕切削的特點(diǎn)，更重要的是，高速加工對(duì)控制零件的變形起到了非常重要的作用。

（2）裝夾方式的選擇。由于零件材料為厚板，在選擇裝夾方式的時(shí)候，首先考慮到真空吸附，但是由于零件腹板厚度非常薄，雖然真空吸力僅有0.06～0.08 MPa，零件尺寸大，輔助支撐又比較少，在真空吸力的作用下，零件極有可能會(huì)發(fā)生變形，不利于零件品質(zhì)的保證。最終裝夾時(shí)，僅在毛料周邊加壓壓板，將零件壓緊即可。

（3）定位基準(zhǔn)的選擇及坐標(biāo)原點(diǎn)的確定。由于零件為雙面加工整體框，定位基準(zhǔn)選擇在緣條的高表面。零件用板材加工，原點(diǎn)選擇在板材的一個(gè)直角邊上。

5 刀具的選擇

高速切削刀具材料必須耐磨，抗沖擊能力好，硬度高，與工件材料親和力小。高速切削的刀具材料，必須根據(jù)工件材料和加工性質(zhì)來(lái)選擇。一般情況下，對(duì)于相同的刀具材料，粗加工可以采用較高的切削速度、較大的每齒進(jìn)給量，而刀具的較好的切削狀態(tài)，不是滿直徑加工。一般情況下，對(duì)于立銑刀或端銑刀，較好的切削狀態(tài)是加工寬度為刀具直徑的66%～83%。粗銑時(shí)，可選用大直徑的機(jī)夾式硬質(zhì)合金刀具，以提高金屬去除率。

加工切削參數(shù)見表1。

表1 切削參數(shù)及切削用量

6 檢查與驗(yàn)收

在零件的加工過程中,每加工一步，都安排對(duì)零件的變形狀態(tài)進(jìn)行跟蹤及測(cè)量，檢測(cè)方法是將零件自由狀態(tài)下置于平臺(tái)上，用塞尺檢查零件與平臺(tái)間間隙，結(jié)果顯示，整個(gè)過程的變形量在0.4～1.7 mm之間。

加工結(jié)束后，采用測(cè)量機(jī)測(cè)量整個(gè)零件，測(cè)量?jī)?nèi)容包括零件外形、筋位、腹板面及孔位，效果非常理想的，無(wú)側(cè)彎、翹曲、扭曲等變形。

7 結(jié)束語(yǔ)

翼身融合整體框的高速加工工藝,在國(guó)內(nèi)當(dāng)屬業(yè)內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)，缺乏可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。通過前期工作，總結(jié)如下：

（1）裝夾方式盡量不使用真空吸附，最好將零件在自由狀態(tài)下直接夾緊，這樣有利于應(yīng)力的均勻釋放，同時(shí)也有利于懸空薄壁腹板尺寸的保證。

（2）由于中間段、過渡段等截面尺寸劇變處，為應(yīng)力集中區(qū)域，粗加工前，先將這些區(qū)域進(jìn)行粗加工，預(yù)先釋放這些部位的應(yīng)力，以利于后續(xù)加工。

（3）將粗加工做細(xì)做好，是加工此類零件的重點(diǎn)。因?yàn)榇蟛糠值臍堄鄳?yīng)力要在粗加工時(shí)釋放出來(lái)，所以將粗加工做細(xì)做好，使應(yīng)力均勻釋放并逐漸消除，后續(xù)的半精加工、精加工自然是水到渠成。

（4）編制粗銑程序時(shí)，注意采用等高降層的方法，使應(yīng)力逐層均勻釋放。

（5）粗加工后，需要充分自然時(shí)效72 h。

（6）由于零件尺寸大，懸空面積非常大，中間缺少有力支撐，針對(duì)這種情況，可以利用腹板上的圓孔，在圓孔處預(yù)留工藝凸臺(tái)，在最后切斷時(shí)一并去除。這樣做有兩點(diǎn)好處：

一是工藝凸臺(tái)可以在加工中起到輔助支撐的作用，使零件加工狀態(tài)穩(wěn)定，薄腹板尺寸容易保證；

二是避免圓孔切斷時(shí)腹板懸空，造成震顫。

[1]邢鴻雁，陳榕林.機(jī)械制造難加工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]楊 豐，黃登紅.數(shù)控加工工藝與編程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[3]Herbert Schulz.高速加工理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.