蒲昌蘭，劉衛(wèi)武，羅志勇

（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司結(jié)構(gòu)件廠，成都 610092）

0 引言

隨著對(duì)飛機(jī)性能要求的不斷提高，整體鋁合金薄壁零件由于重量輕、強(qiáng)度高等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空制造領(lǐng)域。薄壁零件主要是指壁厚≤2mm的零件，零件結(jié)構(gòu)輪廓復(fù)雜、剛度較低、加工余量較大[1]。很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)薄壁零件的側(cè)壁和腹板加工的方法進(jìn)行了深入的研究探討，普遍采用高速切削加工來(lái)滿足要求。雖然先進(jìn)的設(shè)備可以達(dá)到很高的精度，但是由于薄壁零件材料去除率高，實(shí)際加工中無(wú)論在高速切削狀態(tài)，還是低速切削狀態(tài)下，零件都不可避免的產(chǎn)生變形和振動(dòng)，導(dǎo)致加工誤差，很難保證尺寸精度和表面質(zhì)量要求。而對(duì)于加工形成的振紋及粗糙度等表面質(zhì)量問(wèn)題，一般都要由鉗工打磨修整，以保證厚度尺寸及表面粗糙度要求，嚴(yán)重影響了數(shù)控加工的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。而腹板作為薄壁結(jié)構(gòu)件的一個(gè)重要特征，加工難度大，在實(shí)際制造中其加工質(zhì)量問(wèn)題尤為突出。

本文在長(zhǎng)期的實(shí)踐加工摸索基礎(chǔ)上，對(duì)薄壁零件腹板數(shù)控加工進(jìn)行總結(jié)分析，并提出了系列控制零件變形，改善腹板加工質(zhì)量的工藝改進(jìn)措施，具有實(shí)際指導(dǎo)作用。

1 腹板加工質(zhì)量影響因素

飛機(jī)鋁合金薄壁零件主要采用將整塊板料“雕刻”的方式加工，材料去除量一般在80%以上，加工余量大。薄壁零件在切削加工過(guò)程中，特別是粗加工時(shí)，產(chǎn)生較大的切削力和切削熱，使零件產(chǎn)生較大的受力變形和熱變形。另外，在加工過(guò)程中，經(jīng)過(guò)材料的去除，毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力平衡遭到破壞，零件內(nèi)部應(yīng)力重新分布以達(dá)到新的平衡，從而導(dǎo)致工件變形[2]。因此控制和減小薄壁零件數(shù)控加工中的變形是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

在薄壁零件加工過(guò)程中，由于零件自身剛度的不足，切削受力變形，裝夾變形及壓緊元件拆除回彈引起的變形，影響了零件腹板數(shù)控加工質(zhì)量，甚至造成腹板尺寸超差報(bào)廢。因此，從數(shù)控機(jī)械加工工藝角度分析，影響薄壁件腹板加工質(zhì)量的因素主要包括零件工藝方案設(shè)計(jì)、裝夾及定位方式、加工刀具、加工順序，走刀軌跡，以及機(jī)床設(shè)備等幾個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 腹板加工質(zhì)量影響因素

2 腹板加工工藝改進(jìn)措施

2.1 工藝方案改進(jìn)

首先，分析零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝特性，確定加工流程、裝夾方式等工藝方法，工藝方案設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響零件后續(xù)加工過(guò)程中零件加工的穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。

針對(duì)需雙面加工的結(jié)構(gòu)零件常用的有兩種工藝方案，第一種是第一面直接粗、精加工到位，再加工第二面的方法，加工流程如圖2所示。第二種是先分別完成第一面和第二面粗加工，再分別完成第一面和第二面精加工，粗加工階段去除大余量，釋放材料殘余應(yīng)力，再進(jìn)行精加工，減小零件變形影響，加工流程如圖2所示。對(duì)于零件輪廓尺寸較小且自身剛度較好的零件，一其般選用第一種方案加工，零件變形對(duì)加工過(guò)程的影響較小，且不影響最終的零件質(zhì)量，腹板精度都能得到較好保證，而且可減少重復(fù)裝夾次數(shù)，節(jié)約加工時(shí)間。對(duì)于零件輪廓尺寸較大的薄壁類零件，若采用第一種方案加工，在加工完第一面后，零件變形嚴(yán)重，腹板易發(fā)生翹曲變形，此時(shí)第二面尚未加工，很難通過(guò)校形工藝減小變形量，造成在后續(xù)第二面腹板加工的厚度不均勻，表面質(zhì)量較差。通過(guò)反復(fù)的實(shí)際加工驗(yàn)證，薄壁類零件更適合采用第二種方案加工。

圖2 零件加工工藝方案

其次，工藝方案要考慮加工過(guò)程中的剛度變化，盡量增加零件在加工過(guò)程中的剛度，就需要明確腹板與側(cè)壁的先后加工順序，這在薄壁件的加工中也至關(guān)重要。當(dāng)零件結(jié)構(gòu)本身剛度較好時(shí)，先加工腹板，還是先加工側(cè)壁，零件加工中的剛度變化小，不影響側(cè)壁和腹板的加工質(zhì)量。而對(duì)于薄壁件來(lái)說(shuō)，特別是需雙面加工零件，由于腹板懸空，支承點(diǎn)少，在加工過(guò)程中要保證腹板的質(zhì)量，必須保證零件有足夠的剛度，所以一般來(lái)說(shuō)，零件粗加工完后，應(yīng)先精加工腹板，此時(shí)側(cè)壁留有加工余量，零件剛度較好，可減少因零件剛度不足引起的加工變形加，最后精加工側(cè)壁。

在實(shí)際加工中，根據(jù)實(shí)際條件及零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)綜合利用上述幾種方法制定腹板加工方案，以期達(dá)到最好的效果。

2.2 定位裝夾工藝改進(jìn)

1）定位方式

一面兩孔的定位是生產(chǎn)中最常用的一種定位方式，其定位準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，裝卸零件方便。目前我們采用的定位結(jié)構(gòu)如圖3所示，從理論上分析，圓柱銷1限制X、Y方向的移動(dòng)自由度，圓柱銷2限制X方向移動(dòng)和Z向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，兩個(gè)圓柱銷重復(fù)限制了X方向移動(dòng)的自由度，存在過(guò)定位，由于定位孔中心距和孔徑存在制造誤差，同一批零件很有可能發(fā)生圓柱銷干涉，零件無(wú)法正常安裝的情況。同時(shí)，在實(shí)際加工中，由于粗加工后零件變形量大，采用這種定位方式，加工后經(jīng)常導(dǎo)致圓柱銷取出困難，強(qiáng)行取出后第二次裝夾和第一次裝夾的偏差大，甚至沒(méi)辦法用原來(lái)的定位孔定位，零件后續(xù)加工工序不能正常進(jìn)行。

為了消除X方向移動(dòng)的過(guò)定位，并充分考慮零件變形的影響，可采取改變圓柱銷形狀和工裝底孔形狀的措施來(lái)解決問(wèn)題。圖4所示為把圓柱銷2改成菱形銷，圖5所示為把工裝底孔由圓形改成橢圓形，這兩種方法都可以用來(lái)補(bǔ)償X方向的孔中心距誤差，保證零件重復(fù)裝夾準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)減少加工過(guò)程中零件變形的影響。

圖3 兩圓柱銷定位結(jié)構(gòu)

圖4 圓柱銷和菱形銷 定位結(jié)構(gòu)

圖5 兩圓柱銷帶橢圓底孔 定位結(jié)構(gòu)

2）裝夾工藝

薄壁零件在加工過(guò)程中的剛度直接影響其加工質(zhì)量，剛度不僅受到零件自身結(jié)構(gòu)的影響，還與裝夾工藝方案密切相關(guān)。一個(gè)好的裝夾工藝方案不僅能提高零件在加工過(guò)程中的剛度，還能減少裝夾變形。

從零件裝夾方案考慮，提高零件加工過(guò)程的剛度有兩種方法，一是使用填充物，在零件內(nèi)部填充石蠟、石膏等物質(zhì)來(lái)加固零件，這種方法雖然能起到一定作用，但是很不穩(wěn)定，完全依靠操作者的加工經(jīng)驗(yàn)，操作時(shí)間長(zhǎng)，有時(shí)候加工完后會(huì)對(duì)零件有一定的腐蝕。二是增加支承面的接觸面積，減小腹板懸伸長(zhǎng)度，利用面積較大的腹板面作為支承面，可保證腹板面的加工質(zhì)量。

對(duì)薄壁零件加工，裝夾引起的零件變形不容忽視。壓板和螺栓壓緊是在夾具中采用最多的壓緊方式之一，在現(xiàn)有的加工模式下，雖然零件上預(yù)留了壓板壓緊的凸臺(tái)位置，但由于操作習(xí)慣不同，每次裝夾壓板的位置，壓板懸伸長(zhǎng)度，壓板的數(shù)量都不完全相同，傳遞的壓緊力大小也不同，導(dǎo)致同類零件的加工質(zhì)量差別較大。為了避免壓板壓緊位置的不固定性，可采取下面兩種方法進(jìn)行改進(jìn)。一是使用螺栓壓緊，在零件和墊板上的規(guī)定位置預(yù)先制出壓緊孔，二是使用專用夾具，在專用夾具上配置固定的壓緊元件，每次裝夾壓緊的位置相對(duì)固定，保證零件裝夾的一致性。與此同時(shí)，應(yīng)注意壓緊位置數(shù)量的分配，零件壓緊位置布置越少，壓緊零件所需局部壓緊力越大，很容易在局部增大零件的變形，影響腹板加工質(zhì)量。因此，在保證零件有足夠壓緊力的條件下，應(yīng)增加壓緊位置的數(shù)量，以減小單個(gè)壓緊位置的壓緊力，保證在整個(gè)零件上有均布的壓緊力。另外，還需要注意壓緊位置的選擇，盡量選在剛度好的位置壓緊，比如零件上有筋條相連的結(jié)構(gòu)處。

在制定薄壁類零件的具體裝夾工藝時(shí) ，應(yīng)綜合效率和質(zhì)量因素，充分考慮零件的壓緊位置及數(shù)量，盡量均勻布置壓板或螺栓，并適當(dāng)增加壓緊數(shù)量，減小單個(gè)壓緊力，用以減小裝夾引起的變形。因此，薄壁零件的裝夾應(yīng)優(yōu)先選用專用夾具，準(zhǔn)確的給出壓緊位置，方便操作，獲得穩(wěn)定的裝夾性能，一般選用真空吸附類夾具，腹板作為支承面，吸附面積大，產(chǎn)生的吸附力較小，分布均勻，可減小薄壁零件加工中的裝夾變形，但為了保證裝夾的可靠性，應(yīng)采用均布的螺栓或壓板進(jìn)行輔助壓緊。

2.3 切削刀具的選擇

加工中產(chǎn)生的切削力是零件腹板變形的主要影響因素之一，而切削力的大小與刀具的結(jié)構(gòu)、尺寸關(guān)系密切。刀具直徑與刀具徑向力有關(guān)，直徑越大，徑向力越大，而刀具底角R影響刀具軸向切削力，不同的底角R，軸向分力也不同，圖6為刀具軸向分力示意圖。腹板銑削加工時(shí)，在軸向切削力的作用下容易彎曲變形。

為了驗(yàn)證不同底角R對(duì)腹板加工質(zhì)量的影響，我們對(duì)直徑φ20mm，底角分別是R3,R1,R0.5三種規(guī)格的刀具在相同條件下進(jìn)行切削試驗(yàn)，加工余量0.5mm，結(jié)果顯示R3刀具加工表面接刀棱較深，R1刀具次之，而R0.5刀具加工后的表面接刀棱最淺。由此驗(yàn)證了刀具底角半徑R越大，軸向作用力越大，加工表面質(zhì)量越差。所以在進(jìn)行薄壁零件腹板加工時(shí)，應(yīng)盡量選擇底角R較小的刀具，減小切削力的影響，保證腹板加工質(zhì)量。

圖6 軸向分力示意圖

3 加工順序及刀具軌跡優(yōu)化

3.1 加工順序

圖7 多框零件腹板加工順序

加工過(guò)程中優(yōu)化腹板各區(qū)域的的加工順序，可有效控制腹板的變形量，確定加工順序的總體原則是在加工過(guò)程中最大限度的保持零件的剛度處在最佳狀態(tài)，并先加工最薄弱的區(qū)域。根據(jù)材料力學(xué)原理，腹板加工工藝系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁和懸臂梁模型，在簡(jiǎn)支梁的中部，懸臂梁的遠(yuǎn)端的變形最大，剛度較差，因此，在進(jìn)行多框薄壁類零件腹板加工時(shí)應(yīng)首先加工中間框腹板以及沒(méi)有支承面或遠(yuǎn)離支承面的腹板區(qū)域，再加工外側(cè)腹板面。圖7為多框薄壁零件腹板加工順序示意，按圖示順序號(hào)加工各框腹板，中間的腹板最薄弱，需最先加工，最后加工其余框的腹板，其中外側(cè)的第4和17框?yàn)楸∪鯀^(qū)域，也要優(yōu)先加工，這樣可有效提高加工過(guò)程中零件的剛度，減小加工振動(dòng)影響。

3.2 刀具軌跡

腹板加工中，不同的刀具軌跡產(chǎn)生的切削力，以及對(duì)零件在加工過(guò)程中的剛度影響程度不同，產(chǎn)生的變形也存在差異。根據(jù)機(jī)床選擇合理的刀具路徑，能提高腹板的表面質(zhì)量。

首先，選擇合適的進(jìn)刀方式，盡量采用沿輪廓的切向或斜向切入的方式緩慢切入零件，保證刀具軌跡光順平滑。所以，薄壁零件的進(jìn)刀優(yōu)先采用螺旋或圓弧進(jìn)刀，避免垂直進(jìn)刀，使刀具逐漸切入零件，減小振動(dòng)，刀具不會(huì)在工件表面的進(jìn)刀處留下駐刀痕跡，從而獲得較高的表面質(zhì)量。實(shí)際定制軌跡時(shí)，也常使用斜線進(jìn)刀，角度應(yīng)盡量小。

其次，在切削過(guò)程中選擇合適切削軌跡，腹板加工的走刀方式一般有兩種，環(huán)切方式和行切方式。環(huán)切方式一般是從框的中間位置下刀，由中間向四周環(huán)切至側(cè)壁，加工過(guò)程中都是順銑，受力變化小，切削平穩(wěn)，在實(shí)際加工中環(huán)切加工腹板的方式得到了很好的運(yùn)用。而對(duì)于行切加工方式，大多數(shù)理論分析表明，該方式是順銑和逆銑交互加工，腹板受力方向不斷變化，容易引起振動(dòng)，相鄰刀軌之間的刀痕較深，表面質(zhì)量不如環(huán)切方式好，也很少在腹板的精加工中運(yùn)用。但是受到機(jī)床設(shè)備精度的影響，采用環(huán)切加工時(shí)，切削軌跡轉(zhuǎn)向時(shí)主軸減速嚴(yán)重，在加工中出現(xiàn)短暫的停頓，使得在切削軌跡方向改變的位置留下圓形駐刀痕跡，影響腹板的加工精度，需要鉗工打磨去除。針對(duì)該問(wèn)題，我們?cè)诹慵线M(jìn)行了加工對(duì)比試驗(yàn)。

圖8 腹板加工不同走刀軌跡產(chǎn)生的駐刀痕跡位置對(duì)比

分別采用環(huán)切和行切方式對(duì)腹板進(jìn)行了加工試驗(yàn)，結(jié)果顯示，環(huán)切方式加工時(shí)，在刀軌的對(duì)角線以及環(huán)間移刀位置均出現(xiàn)駐刀痕跡，幾乎覆蓋整個(gè)腹板，如圖8(a)所示。行切方式加工后，僅在筋條根部留下一圈駐刀痕跡，若在行切后再增加一個(gè)清根的刀具軌跡，則整個(gè)腹板僅在零件轉(zhuǎn)角處留下少量駐刀痕跡，如圖8(b)所示。試驗(yàn)結(jié)果表明采用行切與清根結(jié)合的走刀軌跡可有效減少駐刀痕跡的出現(xiàn)。另一方面，對(duì)試驗(yàn)零件進(jìn)行了粗糙度檢查，實(shí)際測(cè)得腹板的粗糙度值在Ra3.2左右，而航空零件的表面粗糙度要求一般為Ra6.3,完全符合零件的粗糙度要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，把行切加工方式成功應(yīng)用到零件的腹板精加工中，獲得了較好的效果。所以，在實(shí)際加工中，可根據(jù)機(jī)床精度要求，合理的選擇行切加工軌跡，并具有一定的優(yōu)勢(shì)。

最后，優(yōu)化刀具軌跡轉(zhuǎn)向以及環(huán)間移刀的過(guò)渡形式，減小切削過(guò)程中的切削力突變。一般的程編軟件中默認(rèn)是直角的過(guò)渡形式，當(dāng)?shù)毒甙匆欢ǖ倪M(jìn)給速度運(yùn)動(dòng)到此位置時(shí)，切削力會(huì)突然改變，不但影響刀具使用壽命，還降低了表面質(zhì)量。因此，薄壁腹板加工中，所有刀軌應(yīng)圓滑過(guò)渡，在轉(zhuǎn)角處增加適當(dāng)圓角，環(huán)間的移刀增加圓弧過(guò)渡，如圖9所示，提高表面加工精度。

圖9 刀具軌跡轉(zhuǎn)角和環(huán)間移刀圓角過(guò)渡示例

4 結(jié)論

本文從機(jī)械加工工藝角度出發(fā)，分析了加工工藝方案，定位裝夾工藝，刀具軌跡和加工順序等對(duì)薄壁零件腹板加工質(zhì)量的影響，并從這幾個(gè)方面提出了改進(jìn)措施，提高零件加工過(guò)程中的剛度，保證腹板的加工質(zhì)量。結(jié)合理論分析結(jié)果，對(duì)薄壁零件的工藝方案，裝夾工藝，刀具軌跡及加工順序進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用于薄壁零件實(shí)際加工，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和加工驗(yàn)證，收到了良好的效果，有效提高了腹板的數(shù)控加工質(zhì)量，減少了鉗工對(duì)腹板的打磨。

[1] 汪通悅,何寧,李亮.薄壁零件銑削加工的振動(dòng)模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(8):22-25.

[2] 高翔,王勇.薄壁零件精密數(shù)控銑削關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)床與液壓,2009,37(9):14-17.