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)。
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
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。
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。
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。
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)。
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。
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
(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。
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
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。
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.