劉志學(xué)，胡登洲，高曦

成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空裝備制造產(chǎn)業(yè)學(xué)院

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件，作為整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的底座，具有外形復(fù)雜、壁薄、材料難加工和尺寸精度高等典型特征，加工時(shí)的材料切除率達(dá)到60%以上，因此，提高機(jī)匣加工質(zhì)量及加工效率對(duì)保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量和發(fā)展我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)具有重要意義[1-3]。機(jī)匣加工技術(shù)一直是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)進(jìn)行封鎖的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是加工工藝和專用編程軟件[4]。目前，我國(guó)機(jī)匣制造水平和發(fā)達(dá)國(guó)家仍有較大差距，主要表現(xiàn)在制造時(shí)間長(zhǎng)、制造質(zhì)量不穩(wěn)定和加工成本高等方面，這些因素成為制約我國(guó)航空工業(yè)發(fā)展的瓶頸[5，6]。

本研究圍繞學(xué)院創(chuàng)新基地對(duì)外承接的產(chǎn)品試制優(yōu)化項(xiàng)目，對(duì)原有機(jī)匣加工工藝進(jìn)行優(yōu)化[7-13]，以完成每年100件機(jī)匣的批量生產(chǎn)任務(wù)。原有機(jī)匣工藝采用五軸加工中心進(jìn)行精加工，但專用夾具設(shè)計(jì)存在缺陷，且對(duì)機(jī)床操作人員經(jīng)驗(yàn)要求高，若裝夾方法不當(dāng)或夾緊力不合適會(huì)產(chǎn)生變形過(guò)大的情況，從而造成超出技術(shù)要求、加工報(bào)廢率高等問(wèn)題?，F(xiàn)有措施是提高切削參數(shù)來(lái)保證加工質(zhì)量，但工件會(huì)發(fā)生顫振，導(dǎo)致加工效率明顯下降。針對(duì)上述問(wèn)題優(yōu)化專用夾具，并利用SPIKE測(cè)力儀對(duì)加工刀具進(jìn)行加工參數(shù)的金屬切削實(shí)驗(yàn)[14-16]，獲得刀具軸向力、彎矩和扭矩?cái)?shù)據(jù)，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法得到最優(yōu)的切削參數(shù)。

2 機(jī)匣特征及加工工藝分析

機(jī)匣是薄壁復(fù)雜的曲面零件，其零件尺寸如表1所示。葉身所有型面、葉身與葉櫞均需光順過(guò)渡，按照HB 5800—1999檢測(cè)公差。機(jī)匣正、反面的三維模型如圖1和圖2所示。

表1 機(jī)匣的尺寸參數(shù)

圖1 機(jī)匣正面

圖2 機(jī)匣反面

機(jī)匣毛坯采用鍛件LD10-T6固溶處理鋁合金，該合金加工費(fèi)刀且變形量大。經(jīng)粗加工—自然時(shí)效96h—半精加工—人工時(shí)效—精加工等系列工序加工完成合格的機(jī)匣。采用如圖3所示的制造工藝對(duì)機(jī)匣進(jìn)行數(shù)控加工，采用寶雞機(jī)床廠CK7525A斜床身數(shù)控車(chē)床對(duì)機(jī)匣內(nèi)外圓柱和圓弧表面進(jìn)行粗加工；采用富裕三軸數(shù)控機(jī)床對(duì)葉片周邊進(jìn)行粗加工，并留足夠的余量，并在自然時(shí)效去除應(yīng)力；采用車(chē)床進(jìn)行精加工，以保證內(nèi)外圓柱面精度尺寸和粗糙度，內(nèi)孔為后續(xù)五軸加工基準(zhǔn)；使用米克朗UCP800五軸數(shù)控機(jī)床對(duì)葉片進(jìn)行正、反面精加工；最終進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)，并得出檢測(cè)報(bào)告，若合格則交付客戶。

圖3 機(jī)匣加工制造流程

3 夾具缺點(diǎn)分析和新加工方案

3.1 傳統(tǒng)專用夾具缺點(diǎn)

采用五軸加工中心加工機(jī)匣葉片，五軸機(jī)床專用夾具如圖4所示，機(jī)匣和專用夾具裝配如圖5所示。五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)匣葉片的加工效率低，葉片一端精加工超過(guò)40h，反面加工超過(guò)30h，共計(jì)超過(guò)70h，同時(shí)葉片的加工變形大，尺寸難以控制。

圖4 原專用夾具

圖5 機(jī)匣和原夾具裝配

雖然采用上述加工方案能加工出合格產(chǎn)品，但加工零件報(bào)廢率高，且加工效率低，不能在規(guī)定時(shí)間段滿足客戶的加工數(shù)量要求。若為了提高加工效率而采用高進(jìn)給速度和高轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，則工件會(huì)發(fā)生顫振，導(dǎo)致工件變形或報(bào)廢(見(jiàn)圖6)。

圖6 報(bào)廢產(chǎn)品

3.2 加工方案優(yōu)化

3.2.1 夾具方案優(yōu)化

采用原有專用夾具進(jìn)行裝夾時(shí)，切削參數(shù)如表2所示。在該情況下，加工效率低，刀具鋒利，加工出的產(chǎn)品表面粗糙度基本滿足要求。原因分析如下：低轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給速度的加工條件導(dǎo)致加工效率低，提高轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度則工件會(huì)發(fā)生顫振；刀具切削LD10-T6材料時(shí)磨損較快，加工2個(gè)葉片端部就需要更換刀具，并要重新進(jìn)行對(duì)刀操作才能滿足葉片表面粗糙度要求，技術(shù)人員需多次謹(jǐn)慎操作，否則可能會(huì)因?qū)Φ秵?wèn)題而使零件報(bào)廢。

表2 原切削參數(shù)

為解決上述問(wèn)題，提出了以下工藝優(yōu)化方案：

(1)對(duì)現(xiàn)有專用夾具進(jìn)行優(yōu)化。增加薄壁零件整體剛性，在舊夾具上增加支撐機(jī)匣壁的部件(見(jiàn)圖7)，圓盤(pán)對(duì)內(nèi)壁有支撐，通過(guò)圓盤(pán)上弧形槽旋轉(zhuǎn)下表面的6個(gè)小長(zhǎng)方形塊，使小長(zhǎng)方形塊一端頂住內(nèi)壁表面，使機(jī)匣內(nèi)外表面成為一個(gè)整體，薄壁機(jī)匣剛性顯著提高，提高轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度后工件未發(fā)生顫振情況。優(yōu)化后的夾具裝配、夾具爆炸、機(jī)匣和專用工裝裝配三維圖分別如圖8～圖10所示。

(2)通過(guò)提高加工轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，可以提高表面粗糙度和加工效率。圖11為實(shí)際產(chǎn)品和工裝的裝配。

圖7 優(yōu)化后增加部件

圖8 優(yōu)化后專用夾具

圖9 夾具整體爆炸圖

圖10 優(yōu)化后的夾具裝配

圖11 實(shí)際產(chǎn)品和工裝裝配

3.2.2 切削參數(shù)優(yōu)化

在瑞士UCP800多軸數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行金屬切削實(shí)驗(yàn)，并得到最佳切削參數(shù)，采用德國(guó)SPIKE無(wú)線測(cè)力儀檢測(cè)刀具切削力和力矩。SPIKE測(cè)力儀直接安裝在刀柄或主軸內(nèi)部，通過(guò)內(nèi)部蓄電池供電，將切削力無(wú)線傳輸?shù)浇邮掌骱蜋C(jī)床控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖12所示。

采用四因素(切削深度ap、進(jìn)給速度f(wàn)、切削速度vc和切削寬度ae)四水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，其中切削速度為

式中，n為轉(zhuǎn)速；d為刀具直徑。

圖12 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

精加工刀具為φ8mm錐形球頭銑刀，轉(zhuǎn)速為8000r/min，10000r/min，12000r/min，14000r/min，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的切削速度分別為0.2m/min，0.25m/min，0.3m/min，0.35m/min；進(jìn)給速度采用600mm/min，800mm/min，1000mm/min，1200mm/min；切削深度為0.5mm；切削寬度為0.1mm，0.12mm，0.14mm，0.15mm，其正交實(shí)驗(yàn)表和測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)條件和X，Y方向平均切削力

對(duì)鋁合金薄壁零件進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，通常采用切削力經(jīng)驗(yàn)公式，即指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式[17，18]，有

(1)

式中，CFi為刀具材料與工件材料共同決定的系數(shù)；b1，b2，b3，b4分別為切削深度ap、進(jìn)給速度f(wàn)、切削速度vc、切削寬度ae的指數(shù)。

通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)測(cè)得切削力和切削參數(shù)值，求解出多元線性方程為

(2)

通過(guò)MATLAB軟件編程并采用最小二乘法計(jì)算出b0，b1，b2，b3，b4，其中CFi=eb0，分別求出X和Y方向的經(jīng)驗(yàn)公式為

(3)

4 多目標(biāo)優(yōu)化切削參數(shù)

依據(jù)切削經(jīng)驗(yàn)公式和優(yōu)化條件優(yōu)化φ8mm錐形球頭銑刀。

優(yōu)化目標(biāo)：切削力小，控制變形；金屬去除率Q；表面粗糙度控制在Ra0.8～1.6μm之間。

金屬材料去除率Q的公式為

(4)

在切削加工實(shí)驗(yàn)中，球頭銑刀的X，Y方向的切削力較大，以球頭銑刀X，Y方向的徑向力為優(yōu)化目標(biāo)，利用MATLAB軟件的Fgoalattain函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化[19，20]，一般Fgoalattain優(yōu)化函數(shù)結(jié)構(gòu)為

[X，F(xiàn)val]=Fgoalattain(Fun，X0，Goal，
Weight，A，B，Aeq，Beq，Lb，Ub，Nonlcon)

多目標(biāo)優(yōu)化后，φ8mm錐形球頭銑刀切削參數(shù)如表4所示。

表4 Φ8mm錐形球頭銑刀的切削參數(shù)

采用上述優(yōu)化后的參數(shù)對(duì)實(shí)際產(chǎn)品零件進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)SPIKE分析軟件獲得刀具軸向力、扭矩和彎矩的綜合分析曲線(見(jiàn)圖13)，其中，X和Y方向彎矩如圖14所示。

圖13 軸向力、扭矩和彎矩綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖14 X和Y方向彎矩分析

根據(jù)SPIKE分析軟件功能和實(shí)際加工聲音，綜合預(yù)測(cè)刀具精加工葉片的數(shù)量，通過(guò)極坐標(biāo)矢量變化判斷刀具損壞和磨損情況。如圖15a所示，四葉草花瓣最小且分布均勻，說(shuō)明刀具鋒利；圖15b中圖形變大且均勻，說(shuō)明刀具整體有磨損，彎矩變大；圖15c的四葉草缺少一個(gè)花瓣，則判斷刀具的一個(gè)切削刃被損壞。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得出，一把刀具可以精加工四片葉片的端部。 經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化，加工完成的合格產(chǎn)品見(jiàn)圖16。

(a)新切削刃 (b)切削刃磨損 (c)切削刃破損

圖16 加工完成的合格機(jī)匣

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法對(duì)航空薄壁機(jī)匣加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。使用SPIKE測(cè)力儀測(cè)量切削加工實(shí)驗(yàn)中刀具的切削力和力矩，并結(jié)合數(shù)學(xué)線性回歸求解出切削力經(jīng)驗(yàn)公式，采用MATLAB軟件編程對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，并采用SPIKE測(cè)力儀進(jìn)一步驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

(1)工件表面加工質(zhì)量得到提高。采用改善后的專用夾具和切削參數(shù)，工件不再發(fā)生顫振現(xiàn)象，加工表面粗糙度可控制在Ra0.8～1.6μm之間，加工變形量滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)切削性能穩(wěn)定，加工效率提高。一把刀具切削加工的葉片數(shù)量從2片增加到4片，加工刀具數(shù)量減少一半，加工時(shí)間縮短約50%，滿足加工時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求。

(3)成本投入大幅降低。五軸機(jī)床加工費(fèi)用280元/h，節(jié)約成本1.1萬(wàn)元/件，同時(shí)還可以節(jié)省刀具修磨費(fèi)用。通過(guò)上述工藝優(yōu)化，承接機(jī)匣加工項(xiàng)目，附加值大幅提高。