1 引言

超高強度的鋼抗拉強度高、韌性好，具有高比強度、高比模量等特點，被廣泛應(yīng)用于航空、航天及國防等領(lǐng)域[1]，主要用于制造大中型梁類零件。當(dāng)其表面質(zhì)量較差時，零件會在使用過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中、塑形變形、配合性能差、耐化學(xué)腐蝕性差和壽命降低等多個問題[2]。本文將某超高強度鋼梁零件作為試驗件進(jìn)行加工特征和工藝性分析，以CATIA V5 軟件為平臺，研究了典型試驗件的三維CAD模型主要結(jié)構(gòu)特征和CAM五軸加工方法，并研究了基于CAD/CAM的虛擬仿真加工系統(tǒng)的體系構(gòu)架、機床建模和編程策略；以VERICUT軟件為平臺，針對典型試驗件仿真研究加工策略對其表面質(zhì)量的多元影響，開展對典型試驗件數(shù)字化加工過程的研究，對加工后表面質(zhì)量進(jìn)行記錄與分析，整理和總結(jié)了多元試驗中能夠有效提升超高強度鋼梁零件表面質(zhì)量的技術(shù)方法，固化最優(yōu)加工策略，為相似超高強度鋼梁零件提升表面質(zhì)量提供技術(shù)支持和儲備。

2 問題描述

2.1 超高強度鋼梁介紹

作為飛機主要承力部件，超高強度鋼梁零件存在多種典型結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)裝配及承力功能，其表面質(zhì)量是影響整體性能的主要因素之一，也是本文主要研究目標(biāo)和方向。該超高強度鋼梁零件屬于典型雙面槽腔承力梁結(jié)構(gòu)，涵蓋常見梁類零件的腹板、緣筋條、內(nèi)外形、交點孔、槽口、減重孔和裝配孔等多項典型結(jié)構(gòu)，具有高精度裝配要求的結(jié)構(gòu)為交點孔、內(nèi)形和裝配孔，具有低精度裝配要求的結(jié)構(gòu)有外形和減重孔[3]。

2.2 表面質(zhì)量問題

研究超高強度鋼梁零件表面質(zhì)量提升技術(shù)主要是在現(xiàn)有加工基礎(chǔ)上對技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，因此要以現(xiàn)有加工技術(shù)和加工能力的效果為基點，進(jìn)行更多的優(yōu)化改進(jìn)工作。通過對生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)研，目前超高強度鋼梁零件存在的表面質(zhì)量問題主要有：

(1)腹板結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量差。腹板結(jié)構(gòu)占據(jù)零件表面積的40%以上，承擔(dān)受力過程中的剪切力和拉應(yīng)力，表面質(zhì)量對應(yīng)力分散和疲勞壽命要素影響顯著(見圖1a)。

(2)槽腔轉(zhuǎn)角表面質(zhì)量差。轉(zhuǎn)角作為緣筋條過渡結(jié)構(gòu)，是應(yīng)力轉(zhuǎn)換的交點，其表面質(zhì)量不佳易造成應(yīng)力集中、裂紋等質(zhì)量問題(見圖1b)。

(3)交點孔表面質(zhì)量差。作為裝配過程中負(fù)責(zé)零件轉(zhuǎn)動、傳動的結(jié)構(gòu)，其表面質(zhì)量直接影響轉(zhuǎn)動靈活性及傳動性能的運行壽命(見圖1c)。

(a)腹板結(jié)構(gòu)

(c)交點孔

95%的超高強度鋼梁零件表面質(zhì)量問題均為以上三類，腹板和轉(zhuǎn)角表面質(zhì)量差對零件疲勞壽命及受力強度等影響顯著，交點孔表面接刀棱明顯會嚴(yán)重干擾后續(xù)裝配的轉(zhuǎn)動靈活性，因此必須解決此類表面質(zhì)量問題。

3 提升表面質(zhì)量技術(shù)分析

依據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)能力及加工條件，從加工工藝技術(shù)角度出發(fā)，分別從加工刀具、加工策略和加工參數(shù)三方面對上述問題進(jìn)行分析。

3.1 腹板表面質(zhì)量提升多元試驗

通過分析多臺設(shè)備同時加工的結(jié)果，排除了機床設(shè)備和工裝夾具的因素，又因腹板加工策略固定為槽腔加工，工藝余量固定為0.5mm，故此問題主要集中在加工刀具和加工參數(shù)方面。按照多元試驗中單一變量原則，根據(jù)目前加工硬件條件，選擇D63、D32和D20三種加工刀具，進(jìn)給速度設(shè)為50～1600mm/min共6種規(guī)格，綜合構(gòu)建18組加工試驗，判斷影響腹板結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量的因素，并探索提升腹板結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量的技術(shù)方法，試驗參數(shù)見表1～表3。

表1 D63刀具多元試驗參數(shù)

表2 D32刀具多元試驗參數(shù)

表3 D20刀具多元試驗參數(shù)

以CATIA V5軟件為平臺，根據(jù)CAD三維模型編制加工程序，并以VERICUT軟件為平臺仿真研究加工策略(見圖2)。

圖2 編程及模擬仿真

通過分析加工后置程序，對超高強度鋼在試驗數(shù)據(jù)下進(jìn)行試切加工，采用針描設(shè)備測量加工后工件表面粗糙度的波動情況，并繪制結(jié)果曲線(見圖3)。

圖3 加工表面接刀棱分析曲線

由圖可知，在精銑腹板結(jié)構(gòu)表面時，D63刀具的加工表面質(zhì)量明顯優(yōu)于D32刀具和D20刀具，加工表面質(zhì)量隨D值增大而變差；當(dāng)f<200mm/min時，腹板結(jié)構(gòu)加工表面質(zhì)量較好，隨著f增加，腹板表面質(zhì)量明顯下降。

綜上所述，應(yīng)采用D63規(guī)格刀具并設(shè)置f≈200mm/min對腹板結(jié)構(gòu)進(jìn)行精銑加工。對比實物驗證情況，腹板結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量提升效果見圖4。

圖4 改進(jìn)前后的加工效果對比

3.2 轉(zhuǎn)角表面質(zhì)量提升技術(shù)分析

如圖5所示，轉(zhuǎn)角加工策略固定，拼接加工緣條和筋條，加工刀具和加工參數(shù)均與加工內(nèi)形時一致，實際的加工內(nèi)形表面質(zhì)量較優(yōu)，故此項不是影響表面質(zhì)量的因素。分析實際加工過程，因超高強度鋼零件在加工及熱處理過程中存在變形，致使加工保證零件緣條厚度尺寸時需偏置數(shù)值[4]；而筋條因強度高、尺寸小，且由同一刀具加工保證，故加工筋條厚度時無需偏置。此操作使緣條加工程序與理論加工位置發(fā)生偏移，而筋條加工程序無偏移，因此兩段程序交接處，即轉(zhuǎn)角加工區(qū)域會產(chǎn)生間隙或者重疊，導(dǎo)致零件轉(zhuǎn)角殘留或者過切。

(a)理論加過程

采用合并加工的方法對此類問題進(jìn)行解決，將緣筋條程序?qū)狱c從轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)移至筋條中部，通過圓弧進(jìn)刀方式規(guī)避接刀棱，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)角的優(yōu)化加工(見圖6)。通過實物加工驗證，該方法效果良好，轉(zhuǎn)角表面質(zhì)量顯著提升。

圖6 優(yōu)化轉(zhuǎn)角加工刀具軌跡

3.3 交點孔表面質(zhì)量提升技術(shù)分析

交點孔加工策略固定，加工工具均為對應(yīng)合金數(shù)控鏜刀，故此其影響因素應(yīng)為鏜削進(jìn)給速度。鏜削進(jìn)給速度設(shè)為5～120mm/min，共8組，分別采用不同進(jìn)給速度鏜制交點孔，測量加工后表面質(zhì)量并繪制曲線圖(見圖7)。

圖7 孔壁表面質(zhì)量加工結(jié)果曲線

由圖可得，鏜制D30H7交點孔時，當(dāng)進(jìn)給速度f≤50mm/min時，加工后孔內(nèi)表面質(zhì)量較好，將此應(yīng)用在加工零件實物上，加工后其表面質(zhì)量顯著提升，證明此參數(shù)及相應(yīng)鏜制技術(shù)能夠滿足該類超高強度鋼梁零件上交點孔的加工要求。

4 結(jié)語

本文分析了超高強度鋼現(xiàn)場加工表面質(zhì)量情況，在CATIA V5和VERICUT等數(shù)字化編程處理軟件上進(jìn)行仿真，通過多元試驗進(jìn)行分析對比，總結(jié)加工驗證成果，得到如下結(jié)論。

(1)應(yīng)選用較大直徑的刀具精加工超高強度鋼梁零件腹板。與鈦合金零件不同，小直徑刀具加工后其表面質(zhì)量及粗糙度無法達(dá)到最優(yōu)，以D63規(guī)格刀具為例，加工腹板去除余量0.5mm，切削速度f=200mm/min時，可實現(xiàn)質(zhì)量效率最優(yōu)配比目標(biāo)。

(2)超高強度鋼梁零件轉(zhuǎn)角加工時，應(yīng)盡量避免采用緣條、筋條獨立加工接合的方式，改為采用緣筋條合并分段、轉(zhuǎn)移交接點的方式進(jìn)行加工，這樣能夠有效避免轉(zhuǎn)角接刀不順滑的問題，顯著提升轉(zhuǎn)角質(zhì)量。

(3)超高強度鋼的材料加工性能特殊，在鏜制交點孔等裝配要求較高的孔結(jié)構(gòu)時，進(jìn)給速度f應(yīng)設(shè)為25～50mm/min，進(jìn)給速度過大或過小都會使孔內(nèi)壁表面質(zhì)量下降。

通過采用上述提升超高強度鋼零件表面質(zhì)量的技術(shù)，能夠有效實現(xiàn)表面質(zhì)量提升的目標(biāo)，可以更加充分和良好地發(fā)揮零件的裝配和使用性能，其相關(guān)技術(shù)能夠用于其他相似的超高強度鋼梁類零件，為超高強度鋼材料以及梁類零件提升表面質(zhì)量提供技術(shù)支持和幫助。