楊曉峰 江水 馬東平 韓勇 李多 周榮田

（①中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所，四川 綿陽 621000；②中國(guó)兵器工業(yè)武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000）

某大型特種風(fēng)洞為國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，是我國(guó)航空航天領(lǐng)域自主創(chuàng)新和跨越式發(fā)展不可或缺的設(shè)備，建設(shè)意義重大、影響深遠(yuǎn)。收縮段是確保高速風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)的關(guān)鍵部段[1]，其作用是均勻加速氣流，使其沿收縮段壁面曲線流動(dòng)時(shí)，流速單調(diào)增加，在出口處達(dá)到試驗(yàn)段需要的流速[2]。常規(guī)風(fēng)洞的收縮段常采用碳鋼制造，大口徑收縮段常采用縱橫筋板定形，焊接薄壁蒙皮的方式制作，但是由于成形精度較低，對(duì)流場(chǎng)有一定的影響。某特種風(fēng)洞由于特殊工況的需要，該入口7 m量級(jí)的大口徑薄壁收縮段采用不銹鋼材質(zhì)，其外側(cè)筋板稀疏，壁薄剛度差，內(nèi)型面精度要求較高，焊接后留余量較大，因變形局部余量不均等，整體加工量大，不銹鋼加工效率低，加工過程中也極易變形。為了確保高品質(zhì)流場(chǎng)，需對(duì)內(nèi)型面進(jìn)行精加工以滿足型面精度要求，由于進(jìn)度緊迫，需要提高加工效率，而這種不銹鋼大口徑薄壁高精度曲面加工在國(guó)內(nèi)尚無可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，研究探索新的加工工藝勢(shì)在必行。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

常規(guī)1 m量級(jí)以下高速風(fēng)洞的收縮段采用分瓣成形然后拼焊的方式成形，圖1為某高速風(fēng)洞的收縮段，該結(jié)構(gòu)件采用8瓣成形，馬鞍形圓角段采用鍛件機(jī)加成形。此種收縮段采用碳鋼材質(zhì)，口徑小且剛性強(qiáng)，焊接變形小，成形后再通過機(jī)加工可保證型面精度到0.5 mm以內(nèi)，針對(duì)收縮段后段漸變圓角到出口位置已經(jīng)接近于R0，利用R30、R12圓弧球頭銑刀分級(jí)加工漸變圓角，而R12到R0圓弧則通過人工超精細(xì)打磨完成。

圖1 小口徑碳鋼收縮段制造

如圖2所示，該收縮段主體結(jié)構(gòu)主要包括殼體、環(huán)筋和分段法蘭等，收縮段入口截面為帶大圓角矩形，尺寸為7 049 mm×3 057 mm，軸向長(zhǎng)度為1 620 mm。收縮段材質(zhì)為304L不銹鋼，凈重為8 t。收縮段自入口起軸向970 m內(nèi)殼體厚度為20 mm，之后500 mm內(nèi)殼體厚度由20 mm漸變至40 mm，最后150 mm段殼體厚度為40 mm。主體外圍沿軸線方向設(shè)置3個(gè)環(huán)筋，高度約200 mm，板厚20 mm，環(huán)筋間距約為500 mm，內(nèi)型面精度0.25 mm，粗糙度Ra 6.3 μm。

圖2 收縮段三維示意圖

1.2 加工難點(diǎn)

該收縮段為不銹鋼大口徑薄壁曲面，壁厚漸變，靠近大頭端最薄處僅20 mm，只有環(huán)筋沒有縱筋，整體剛度弱，加工精度要求高，其加工難點(diǎn)如下：

（1）對(duì)于收縮段結(jié)構(gòu)剛性差薄壁件來說，最大的難點(diǎn)在于零件變形問題，型面精度難以保證。而解決零件變形主要在于解決3點(diǎn)問題：一是應(yīng)力釋放，二是裝夾，三是切削力[3]。

（2）內(nèi)型面加工精度在0.25 mm公差范圍內(nèi)，且加工面積大，對(duì)7 m量級(jí)的大口徑型面加工精度保證難度大，加工周期長(zhǎng)。

（3）收縮段經(jīng)過模壓拼焊成形，焊接變形導(dǎo)致加工余量分配不均勻，難以保證加工后的最小壁厚。

（4）奧氏體不銹鋼在切削過程中塑性變形大，導(dǎo)致切削力增大[4]，在加工過程中，容易產(chǎn)生表面硬化，加速刀具磨損。由于切削力大，產(chǎn)生的切削熱高，易產(chǎn)生熱變形。

2 工藝分析

該收縮段最關(guān)鍵處為內(nèi)型面的加工，針對(duì)內(nèi)型面的加工有如下兩種加工方法。

（1）兩軸分層排刀加工法

加工內(nèi)型型面時(shí)，工件大端向上，采取從上到下，機(jī)床主軸垂直法蘭面，利用方肩銑刀或球頭銑刀分層排刀進(jìn)行加工，加工刀路如圖3所示。此種加工方式廣泛應(yīng)用于常規(guī)三軸機(jī)床針對(duì)曲面的加工。此種加工方法雖能滿足加工要求，但是加工效率極低、周期長(zhǎng)以及成本高，尤其是針對(duì)大型曲面的加工。

圖3 排刀加工刀路示意圖

（2）五軸分區(qū)域加工法

如圖4深色區(qū)域所示，內(nèi)型面曲面特征為，4個(gè)大面X、Y向母線是直線，Z向是曲線，只有4個(gè)圓角縱橫向均為曲線。根據(jù)這一特征，將整個(gè)收縮段曲面分為4個(gè)大曲面（區(qū)域1和區(qū)域2）和4個(gè)圓弧角曲面（區(qū)域3）。針對(duì)區(qū)域1和區(qū)域2，加工時(shí)，采用萬能角銑頭，通過刀軸垂直于曲面的方式加工去量，大幅提升加工效率。針對(duì)區(qū)域3，采用常規(guī)排刀方式進(jìn)行加工去量，保證與已加工的4處大面接平。加工過程中，4個(gè)大曲面交替進(jìn)行加工，以減少加工變形，保證零件精度。加工刀路如圖4所示。近年來，復(fù)雜曲面零件的加工技術(shù)由于多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心的應(yīng)用取得了突破。此種加工方式主要適用于五軸機(jī)床針對(duì)曲面的高效加工。另外，此種加工方式為逐步去量式加工，可以有效減小因加工過程中零件變形對(duì)工件加工精度產(chǎn)生的影響。

圖4 分區(qū)域加工刀路示意圖

經(jīng)模擬計(jì)算內(nèi)型面加工周期，粗加工采用兩軸分層排刀加工時(shí)間約為36天，五軸分區(qū)域加工時(shí)間為14天，效率提升了61 %，兩種加工方法（半）精加工時(shí)間分別是60天和21天，效率提高了65 %，可以看出五軸分區(qū)域加工法相比兩軸分層排刀加工法極大地提升了工效。

綜合考慮收縮段型面精度要求、尺寸范圍以及加工方案，選用五軸龍門加工中心，采用五軸分區(qū)域加工法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型復(fù)雜曲面的高效、高精度加工要求。

3 工藝實(shí)踐與結(jié)果

3.1 檢測(cè)實(shí)體余量，建立機(jī)加基準(zhǔn)

大口徑薄壁收縮段采用模壓拼焊成形，焊接變形導(dǎo)致加工余量分布不均勻，需要對(duì)工件精確找正，對(duì)各加工部位進(jìn)行余量檢測(cè)以便建立基準(zhǔn)。

收縮段小端向下，大端面向上，底部用調(diào)整墊鐵墊實(shí)，按成形工序時(shí)刻線基準(zhǔn)找正工件，并在大頭法蘭反面作輔助支撐，定表卡壓。以上端面最高點(diǎn)為基準(zhǔn)往下偏置10 mm作為Z0起點(diǎn)（毛坯余量10 mm），大頭法蘭外圍所刻十字中心線為X、Y零點(diǎn)，臨床通過編程刀檢的方式，分8個(gè)截面檢測(cè)加工余量，余量檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。從檢測(cè)的加工余量數(shù)據(jù)分析，焊接導(dǎo)致入口和出口變形較大，加工余量偏少，但均能滿足最小壁厚要求。

表1 加工余量檢測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 確定工序流程，優(yōu)化工藝參數(shù)

加工流程的確定從保證質(zhì)量和提升效率兩方面進(jìn)行綜合考慮，加工流程為：余量檢測(cè)→粗銑→半精銑→精銑→型面檢測(cè)。即按照粗銑、半精銑、精銑的加工順序，使用五軸龍門加工中心的萬能角銑頭，分區(qū)域交替對(duì)稱加工，確保有一定的加工應(yīng)力釋放時(shí)間。

為提高加工效率，在內(nèi)型面整個(gè)加工過程中全程采用高效的快銑刀盤，并使用不銹鋼專用涂層刀片。粗銑和半精銑采用MFH-063R-10-5T-27M型高進(jìn)給刀盤、SOMT 140520ER-GM型CVD涂層硬質(zhì)合金刀片，如圖5所示；精銑采用R390-063Q22-18M型方肩面銑刀盤、R390-063Q22-18M型PCD涂層硬質(zhì)合金刀片，如圖6所示。通過不銹鋼切削工藝試驗(yàn)對(duì)比，MFH-063R-10-5T-27M型刀片平均使用壽命約60 min，R390-063Q22-18M型約120 min，比普通硬質(zhì)合金刀片使用壽命提高了約1.5～2倍，切削效率提高了約2～3倍。粗加工時(shí)，為了保證刀刃有較好的強(qiáng)度，刀具前角γ0=10°，后角α0=8°；精加工時(shí)，為了使刃口鋒利，提高加工質(zhì)量，刀具前角γ0=15°，后角α0=12°。在銑削加工過程中持續(xù)加注不銹鋼專用切削液，降低切削熱，減少摩擦，延長(zhǎng)刀具使用壽命，同時(shí)也防止工件切削產(chǎn)生的熱變形。

圖5 高進(jìn)給刀盤

圖6 方肩面銑刀盤

（1）粗銑主要是去除大部分的余量，使型面在形狀和尺寸上大致接近成品狀態(tài)，粗銑工序中考慮的最主要的問題是提高加工效率。由于使用了大的進(jìn)給量和背吃刀量，切削力較大，在加工過程中需嚴(yán)格監(jiān)控零件變形及余量情況，并優(yōu)化切削用量，減小切削應(yīng)力，切削參數(shù)見表2。

表2 粗銑切削參數(shù)

（2）半精銑是在粗銑的基礎(chǔ)上進(jìn)一步去除余量，這個(gè)階段主要是考慮加工精度問題，使內(nèi)型面基本達(dá)到加工精度要求，并預(yù)留0.1 mm的精銑余量，切削參數(shù)見表3。

表3 半精銑切削參數(shù)

（3）精銑是為了使內(nèi)型面精度、技術(shù)要求和表面質(zhì)量均達(dá)到圖紙要求（見圖7），這個(gè)階段主要是持續(xù)減小切削應(yīng)力，提高加工精度和表面質(zhì)量問題，保證曲面和圓弧角接平，切削參數(shù)見表4。

圖7 精銑加工

表4 精銑切削參數(shù)

3.3 并用雙檢測(cè)手段，確保檢測(cè)結(jié)果可信

變形測(cè)量結(jié)果的可信度是變形控制的依據(jù)。在加工過程中特別在工序轉(zhuǎn)換過程中，變形測(cè)量很重要，是采取下一步手段的依據(jù)。變形測(cè)量一是通過機(jī)床在線打表與理論值比對(duì)，另一個(gè)是獨(dú)立于機(jī)床之外的樣板測(cè)量法。在風(fēng)洞收縮段成型中，常采用樣板間隙法檢測(cè)型面加工精度，通過靠樣板，檢測(cè)樣板與工件之間的間隙來確定曲面加工精度（見圖8）。該收縮段的型面結(jié)果以樣板結(jié)果為最終驗(yàn)收結(jié)果。采用高精度樣板，從上端Z0起點(diǎn)向下每隔80 mm，軸向均勻選取16個(gè)截面，共檢測(cè)352個(gè)點(diǎn)，檢測(cè)過程見圖8。從檢測(cè)數(shù)據(jù)分析（見圖9），型面精度從入口到出口大致呈反拋物線趨勢(shì)，中間部分精度最好，除了在Z0和Z80截面有個(gè)別點(diǎn)超差，其余點(diǎn)均在公差范圍內(nèi)，型面加工滿足精度要求。

圖8 樣板檢測(cè)型面

圖9 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)語

高速風(fēng)洞收縮段是影響風(fēng)洞流場(chǎng)的重要部段，對(duì)航空航天飛行器地面測(cè)試結(jié)果有較大影響，高精度的型面對(duì)提升流場(chǎng)品質(zhì)有著重要的意義。通過開展不銹鋼大口徑薄壁復(fù)雜曲面加工工藝研究，精確檢測(cè)加工余量，采用分區(qū)域法向切削方法，充分發(fā)揮五軸數(shù)控機(jī)床和萬能角銑頭的優(yōu)勢(shì)，成功解決了不銹鋼大口徑薄壁復(fù)雜曲面加工的難題，為薄壁復(fù)雜曲面精加工提供了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。