毛旭

針對(duì)高筋薄壁類鋁合金零件的加工方案

毛旭

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

主要闡述幾種結(jié)構(gòu)特殊（腹板、側(cè)壁超薄，筋條超高等）且工藝性較差、加工難度較大的結(jié)構(gòu)件，通過各種非常規(guī)的加工方法、手段及編程策略，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的加工效果，對(duì)今后的此類零件的加工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

工藝性；切削參數(shù)；編程策略

隨著軍事科技的不斷發(fā)展，我國的軍事實(shí)力也在飛速提高，而未來的戰(zhàn)爭中制空權(quán)的爭奪將會(huì)越發(fā)激烈。因此我國戰(zhàn)斗機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)極限也在不斷刷新。飛機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)件材料的機(jī)械性能提高（高強(qiáng)度）的同時(shí)，零件結(jié)構(gòu)正向超輕、薄壁的趨勢(shì)發(fā)展。另外，為了進(jìn)一步拉近與國際上一些先進(jìn)飛機(jī)的差距，設(shè)計(jì)人員及用戶越來越關(guān)注飛機(jī)的隱身性能。因此，各種復(fù)雜的甚至可以說比較怪異的結(jié)構(gòu)件，逐漸進(jìn)入了機(jī)加行業(yè)視野。為了適應(yīng)不斷更新的零件結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)也為了提高自身的技術(shù)水平，針對(duì)此類工藝性較差的零件進(jìn)行了很多的實(shí)踐，本文將論證在實(shí)踐中總結(jié)出的一些能夠在保證零件質(zhì)量前提下，實(shí)現(xiàn)高效加工先進(jìn)方法，這些經(jīng)驗(yàn)將對(duì)未來加工更加復(fù)雜、更高難度的機(jī)加零件奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也具有推廣意義。

1 零件的異型結(jié)構(gòu)

1.1 無筋、無支撐且超薄壁

零件材料：鋁板；外廓尺寸：100 mm×600 mm ×750 mm.

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：簡單框板類零件，但整體槽腔形無筋條支撐且超壁薄（所有壁厚均為1.8 mm）.

加工難點(diǎn)：零件工藝性較差，腹板強(qiáng)度低，在無支撐或加強(qiáng)的情況下，加工腹板至1.8 mm時(shí)，零件將劇烈顫動(dòng)，產(chǎn)品質(zhì)量無法保證。該零件的加工，從工藝方案及編程策略的設(shè)計(jì)，到刀具及其參數(shù)的選擇，都對(duì)工程技術(shù)人員提出了更高的要求（如圖1所示）。

圖1 零件的異型結(jié)構(gòu)

1.2 兩側(cè)槽腔且緣條超高

零件材料：鋁板；外廓尺寸：150 mm×230 mm ×820 mm.

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：梁類零件，緣條超高，槽腔深達(dá)116.3 mm.

加工難點(diǎn)：零件緣條超高，內(nèi)型槽腔深切細(xì)長，只能選用直徑較小，超長的刀具進(jìn)行加工，長徑比較大的刀具剛性差，對(duì)切削方式及切削用量的選擇十分苛刻。另外該零件在板材中平放后，需要加工兩側(cè)槽腔，那么零件的擺放及裝夾是決定工藝方案設(shè)計(jì)的重要因素（如圖2所示）。

圖2 兩側(cè)槽腔且緣條超高

2 工藝方案設(shè)計(jì)及編程策略的選擇

鋁合金板材零件，應(yīng)用高速設(shè)備對(duì)零件進(jìn)行高速切削，在零件結(jié)構(gòu)或剛性較差的情況下，能夠很好地防止零件的變形，從而提高零件質(zhì)量，同時(shí)零件的加工效率也將大幅提升[1]。

在每項(xiàng)特殊結(jié)構(gòu)零件加工前，從工藝方案的安排，到編程策略的選擇，各個(gè)細(xì)節(jié)都進(jìn)行了詳細(xì)的分析及論證，下面將分別闡述。

2.1 無筋、無支撐且超薄壁

2.1.1 工藝方案設(shè)計(jì)

該零件整體為一個(gè)半封閉的槽腔，600 mm ×750 mm范圍內(nèi)的槽腔腹板尺寸為1.8 mm，且無任何加強(qiáng)及支撐，零件的超薄壁厚尺寸極難保證。但其實(shí)，為該零件設(shè)計(jì)一套專用的真空夾具，在加工最終保證腹板尺寸時(shí)，將零件腹板牢牢吸附在夾具上作為支撐，那么雖然零件超薄壁，但槽腔整體不懸空，零件的質(zhì)量是能夠保證的。但在客觀的外部條件并不允許，只能懸空加工時(shí)，那就必須在工藝方案的設(shè)計(jì)上想辦法，有：第一，零件加工時(shí)，毛料與零件間要有足夠的工藝連接，最大程度地提高零件在切削時(shí)的剛性；第二，零件在毛料上切斷前，應(yīng)完成所有的機(jī)加工作；第三，充分考慮工藝鏈接及切斷的位置，防止在切斷零件時(shí)，零件剛性差使零件顫動(dòng)而發(fā)生質(zhì)量問題。

2.1.2 編程策略及參數(shù)的選擇

零件的槽腔底面腹板為兩個(gè)存在角度的平面，因此必須從兩面進(jìn)行加工才能完成，這樣就會(huì)在最后一面精加工腹板時(shí)，零件為懸空狀態(tài)。那么第一面的程序編制無特殊之處，按正常板材編制即可，但精加工腹板在第二面，就必須考慮零件沒有專用的真空夾具，在懸空的狀態(tài)下如何選擇精加工腹板的編程策略及切削參數(shù)，才能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

經(jīng)過各種方案的討論及反復(fù)的試加工，最終得到在腹板余量大剛性好的前提下，直接精加工到位。具體編程策略及參數(shù)如下：

第一，第二面粗加工零件時(shí)，腹板余量并不是通常選擇的1 mm，而是控制在5～7 mm左右，此時(shí)槽腔的腹板剛性是足夠的。

第二，精加工腹板程序的宏指令要選擇擺刀下，且要求擺刀的角度3°～5°，直接擺刀至腹板精加工位置。

第三，此時(shí)精加工腹板的切削用量為，軸向5～7 mm，徑向1～2 mm，從內(nèi)向外均勻切削。

雖然這樣編程的刀具軌跡非常密集，但由于切深較大，金屬去除率并不會(huì)收到特別大的影響。同時(shí)，刀具切削腹板的余量時(shí)，外側(cè)厚度能夠達(dá)到8.8 mm，剛性足夠，而被加工后的腹板1.8 mm處并不是被切削的對(duì)象，因此加工時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生劇烈的顫動(dòng)，能夠保證零件腹板的尺寸及精度。

另外，零件在高速設(shè)備上進(jìn)行切削時(shí)，也會(huì)受到一定的影響。眾所周知，高速設(shè)備上，主軸轉(zhuǎn)速越高，零件與刀具就越容易產(chǎn)生共振，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量[2]，這就要求參數(shù)的選擇要合理。因此，要在合理的范圍內(nèi)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速以及切削速度。要使轉(zhuǎn)速降低，而切削速度不變，就要增加每齒進(jìn)給量，而每齒進(jìn)給量增加就會(huì)造成切削力的增大，同樣會(huì)對(duì)零件造成影響，這就需要找到這個(gè)平衡點(diǎn)。結(jié)果證明，每齒進(jìn)給量達(dá)到0.18 mm/r時(shí)為最佳的切削效果。

2.1.3 零件加工效果

零件的全部尺寸及光度均滿足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品質(zhì)量得到有效控制，并且零件整體加工時(shí)間（包含零件裝夾等準(zhǔn)備時(shí)間）共4.5 h，加工效率并沒有明顯損失。值得一提的是，在反復(fù)的試加工過程中，精加工腹板首次采用的是可轉(zhuǎn)位鑲齒刀具，刀具的中心沒有底刃，這樣加工的零件腹板中部尺寸大，越到槽腔邊緣尺寸越趨近名義值，且光度也存在同樣趨勢(shì)，即中間低于Ra3.2，越到槽腔邊緣光度越好。經(jīng)過分析改進(jìn)，最終刀具更改為整體硬質(zhì)合金刀具后，尺寸及光度的問題同時(shí)得到解決。

2.2 兩側(cè)槽腔且緣條超高

2.2.1 工藝方案設(shè)計(jì)

對(duì)于這種特殊結(jié)構(gòu)的零件，在工藝方案的選擇及設(shè)計(jì)上就不能采用一般的板材加工方案的模式。針對(duì)該零件，如果板材平放裝夾，那么兩側(cè)的槽腔至少需要C擺角的設(shè)備，而且還必須將零件墊高防止C擺角設(shè)備主軸與設(shè)備平臺(tái)發(fā)生碰撞，同時(shí)還需要將零件擺放在方箱的邊緣。這樣設(shè)計(jì)不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且也不能夠有效的保證產(chǎn)品質(zhì)量。

因此將板材毛料以槽腔的方向?yàn)楹穸确较?，即此時(shí)板材裝夾高度為230 mm.而材料的厚度方向上幾乎沒有余量且需要加工，不可能進(jìn)行裝夾，這樣就意味著零件的定位及壓緊點(diǎn)只能在零件長度方向的兩端，這樣裝夾工藝性并不可靠。一旦切削力過大，零件的裝夾位置將會(huì)移動(dòng)，也就是俗稱的“零件跑了”。那么就需要在程序編制時(shí)選擇合適的切削用量，減小切削力。同時(shí)，還要在零件固定后，在機(jī)床工作臺(tái)上增加限位塊，防止零件的位移，確保零件的定位萬無一失。

2.2.2 編程策略及參數(shù)的選擇

零件加工方案確定后，更加困難的是刀具的選擇。主要是由零件緣條超高、槽腔深度達(dá)到116.3 mm、槽腔窄小、槽腔轉(zhuǎn)角均為R8等等這些因素導(dǎo)致，因此，只能選用直徑為16 mm的刀具進(jìn)行加工，但刀具的下刀深度至少為120 mm，這樣刀具的長徑比為1∶7.5.一般地長徑比達(dá)到1∶4以上后，加工鋁合金的刀具的剛性就會(huì)特別差，1∶7.5的刀具長徑比，幾乎無法滿足零件的尺寸及精度。因此，加工此類零件的刀具應(yīng)選擇刃長（刀具有效地切削部位）小，下刀深大的刀具，這樣刀具的剛性相對(duì)較高。

雖然針對(duì)該零件，刀具的改動(dòng)已經(jīng)最大程度的增加了刀具的剛性，但為了產(chǎn)品的質(zhì)量，在編程中，增加了第二重保險(xiǎn)，那就是無論粗加工還是精加工，將深度分為兩層，上層選用較短的刀具，不但能提高加工質(zhì)量，還能有效地提高加工效率，下層槽腔較深處再換用改動(dòng)后長徑比較大的刀具加工。

對(duì)于該零件來說，除了深度較大外，由于定位及裝夾不是很穩(wěn)定，在編程的參數(shù)選擇上也相當(dāng)慎重，粗加工縱向切深3 mm，徑向切寬10 mm，主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min，進(jìn)給速度5 000 mm/min.

2.2.3 零件加工效果

零件整體加工時(shí)間（包含零件裝夾等準(zhǔn)備時(shí)間）共9 h，零件尺寸均符合設(shè)計(jì)要求，槽腔深度80 mm處表面光度達(dá)到設(shè)計(jì)要求：Ra3.2，槽腔深度80 mm～116.3 mm處局部光度低于Ra3.2，需要通過鉗工對(duì)光度較低處進(jìn)行拋光才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。后續(xù)的改進(jìn)方向是通過反復(fù)的試加工驗(yàn)證，找到使該零件應(yīng)用改動(dòng)后長徑比較大刀具在切削時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求光度的切削用量及參數(shù)。

3 結(jié)束語

隨著各國科技的飛速發(fā)展，各種設(shè)想及理念都被實(shí)現(xiàn)了，甚至一些“黑科技”已經(jīng)應(yīng)用到戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)中，未來的零件結(jié)構(gòu)將會(huì)更加多元化。而作為這些理念的踐行者，更要不斷適應(yīng)這些新的、打破常規(guī)的設(shè)計(jì)，本文正是很好的闡述了這一過程，而這只是一個(gè)良好的開端，為今后工藝及生產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ)，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1]周澤華，于啟勛.金屬切削原理[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

[2]劉宗偉，周育才，李文元，等.先進(jìn)制造技術(shù)[M].北京：國防科技出版社，2006.

Research for Processing Method of Steel Thin -wall Aluminum Alloy Parts

MAO Xu
（Shenyang Aircraft Industry（Group）Co.，Ltd.，Aircraft Industry（Group）Co.，Ltd.，Numerical Control Processing Plant，Shenyang Liaoning 110850，China）

This article mainly expounds several kinds of special structure（web，wall thin，rod ultra-high，etc.）and poor manufacturability，processing difficult structure，through a variety of unconventional machining method，means and strategy programming，the realization of ultimate quality and efficient processing effect，for the processing of such parts has accumulated valuable experience.

manufacturability；cutting parameters；programming strategy

TG659

A

1672-545X（2017）07-0081-02

2017-04-24

毛旭（1984-），男，沈陽人，本科，工程師，研究方向：鋁鎂合金機(jī)械加工。