鋁合金翼身融合整體框的高速加工技術

谷 妍，王德生

（中航工業沈陽飛機工業(集團）有限公司數控加工廠，遼寧 沈陽 110850)

高比強度、高比剛度的輕量化，是現代飛行器設計和制造的核心目標之一。為了實現這一目標，現代航空產品在選擇高比強度材料的同時，大量采用具有較低結構重量比的整體結構。但是整體結構件由單一毛坯切削加工而成，金屬去除率大、材料利用率低，在去除大量材料的同時，也釋放了大量的毛坯內應力，從而引發了加工變形超差的問題，并將影響產品裝配和使用性能，所以整體結構件的加工，對現代飛機制造業提出了更高的要求。

翼身融合整體框是近年來出現的飛機大型構件的一種新的結構形式，比較傳統結構具有非常大的優勢，它代表了未來飛行器大型構件設計的發展趨勢。

1 零件分析

翼身融合整體框，是將機身整體框與機翼長梁合為一體的結構形式，其主要特點是尺寸非常大，金屬去除率非常高，零件結構特殊。另外，由于材料狀態等多方面原因，勢必造成加工中產生較大的變形。因此應當認真分析零件的特點、材料特性、零件工藝性等，尋找新的加工思路和加工方法。

以某機型翼身融合整體框為例（見圖1），對此類結構的零件加工方法進行論述，其主要特點如下：

（1）零件結構為中間框與兩側長梁相結合，雙面多型腔，筋高壁薄。

（2）存在“閉角”和“雙曲外緣”等復雜結構，外形要符合機身理論外形和進氣道理論外形，精度要求非常高。

（3）金屬去除率高達97.63%。

圖1 零件模型

2 材料及應力分析

2.1 殘余應力

材料或毛坯在制造過程中產生的殘余內應力，是導致變形的主要力量。由于鍛壓或擠壓的過程，使得材料內部產生了巨大的應力，經過熱處理和時效或預拉伸等工藝方法，消除了大部分的應力，但不可能完全消除，剩余的就是殘余應力。

其分布基本是：外層為壓應力，內層為拉應力，力的平衡保持了結構的形狀不變。由于零件加工都是首先破壞外層表面，而且不可能在一瞬間去除。這樣就出現了應力的重新分布并表現出來。因首先加工的一側，隨著切削作用應力被去除，內層的拉應力起作用，同時另一側的外層的壓應力也發生作用，共同作用的結果，使結構向被加工一側產生變形。隨著加工的不斷進行，應力也隨之不斷地變化，重新組合，當加工結束時，變形也就產生了。

2.2 材料應力分析

翼身融合整體框是采用大型預拉伸厚板做毛坯，軋制和拉伸處理的難度較大。

毛坯不同位置所含內應力并不一致，主要體現為兩位置同一厚度上的應力幅值不一致，無論是長度方向還是寬度方向的主應力，均有15%左右的波動。應力幅值變化劇烈，對后續工藝流程設計，必將產生較大影響。所以工藝流程設計，應主要圍繞如何通過加工逐漸消除殘余應力來展開。

2.3 變形形態分析

翼身融合整體框是集梁、框于一體，其變形狀態應該集梁類零件和框類零件的變形特點于一體，大致有以下幾種情況：翹曲、側彎、扭曲、局部腹板凸起，同時，由于零件尺寸非常大，也會因自重而引起零件變形。

3 工藝方案的分析與論證

零件從毛料加工到成品的整個過程中，合理的工藝流程設計，是非常必要和重要的一個環節。

3.1 粗加工方案設計

粗加工工藝方案是整個零件加工工藝方案的重中之重。因為絕大部分的余量，都是在粗加工時去除，大部分殘余應力，也是通過粗加工釋放出來，如何進行粗加工工藝方案設計，是需要認真思考的。

（1）粗銑中間段及過渡段。零件由中間框體過渡到兩端長梁，截面尺寸變化較大的位置，比較容易發生彎曲變形，中間小區域內的變形，將導致零件撓度非線性增加，因此中間區域和兩側過渡區域，是加工變形控制的重點。

為此，在粗加工前對這3個區域進行局部粗加工，提前釋放應力集中區內應力，以減少對后續工序的影響。具體加工方法：交替反復加工兩面中間段和過渡段。

（2）粗銑其他部位內外形。若按照傳統的雙面框和梁的加工思路，可先將一面粗銑完成后，再翻面粗銑另外一面，當粗銑第一面后，失去平衡的內應力場，將導致較大的變形，容易造成零件局部發生塑性變形。針對這一情況，不能一次將一側粗銑余量全部去除，需要對零件雙面粗銑的余量去除方案進行優化，需要幾次翻面，反復進行粗銑，盡量使零件每次翻面前，去除的余量最大，從而保證加工品質。

（3）值得注意的3個問題。

其一，粗銑時，為了零件反復翻面時的有效定位，且利于后續加工，筋條高和緣條高暫不加工。

其二，零件腹板上有若干大圓孔，大圓孔通常在零件加工接近尾聲時切斷，由于圓孔處在腹板上，而腹板在厚度方向的中間位置，切斷圓孔時缺少有力支持，切斷時零件必將會發生震顫。另外，由于零件尺寸大，懸空面積也非常大，中間缺少支撐點，所以在設計工藝方案時，考慮在圓孔處預留出工藝凸臺，工藝凸臺在零件的整個加工過程中起到很好的輔助支持的作用，在零件最終切斷時一并去除。

其三，為了增強零件在整個加工過程中的穩定性，零件進氣道處的兩個大圓孔中心的圓形毛料及零件外形周圍的毛料，在加工過程中不去除，起到定位及增強穩定性的作用，在最終切斷時去除。

3.2 充分自然時效

粗銑后，在自由狀態下充分自然時效，自然時效是一個充分釋放內應力的過程。

自然時效需要在常溫下，將零件擺放在一個光潔平整的平臺上，根據鋁合金時效變形試驗結果，72 h后撓度變化趨于平穩，所以零件必須充分自然時效72 h。3.3銑上、下兩平面→半精銑內外形→精銑內外形并切斷

4 加工方式及加工設備的選擇

（1）加工方式選擇。零件加工方式采用高速加工。高速加工是現時的一種發展趨勢，其具有高轉速、快進給、輕切削的特點，更重要的是，高速加工對控制零件的變形起到了非常重要的作用。

（2）裝夾方式的選擇。由于零件材料為厚板，在選擇裝夾方式的時候，首先考慮到真空吸附，但是由于零件腹板厚度非常薄，雖然真空吸力僅有0.06～0.08 MPa，零件尺寸大，輔助支撐又比較少，在真空吸力的作用下，零件極有可能會發生變形，不利于零件品質的保證。最終裝夾時，僅在毛料周邊加壓壓板，將零件壓緊即可。

（3）定位基準的選擇及坐標原點的確定。由于零件為雙面加工整體框，定位基準選擇在緣條的高表面。零件用板材加工，原點選擇在板材的一個直角邊上。

5 刀具的選擇

高速切削刀具材料必須耐磨，抗沖擊能力好，硬度高，與工件材料親和力小。高速切削的刀具材料，必須根據工件材料和加工性質來選擇。一般情況下，對于相同的刀具材料，粗加工可以采用較高的切削速度、較大的每齒進給量，而刀具的較好的切削狀態，不是滿直徑加工。一般情況下，對于立銑刀或端銑刀，較好的切削狀態是加工寬度為刀具直徑的66%～83%。粗銑時，可選用大直徑的機夾式硬質合金刀具，以提高金屬去除率。

加工切削參數見表1。

表1 切削參數及切削用量

6 檢查與驗收

在零件的加工過程中,每加工一步，都安排對零件的變形狀態進行跟蹤及測量，檢測方法是將零件自由狀態下置于平臺上，用塞尺檢查零件與平臺間間隙，結果顯示，整個過程的變形量在0.4～1.7 mm之間。

加工結束后，采用測量機測量整個零件，測量內容包括零件外形、筋位、腹板面及孔位，效果非常理想的，無側彎、翹曲、扭曲等變形。

7 結束語

翼身融合整體框的高速加工工藝,在國內當屬業內領先技術，缺乏可以借鑒的經驗。通過前期工作，總結如下：

（1）裝夾方式盡量不使用真空吸附，最好將零件在自由狀態下直接夾緊，這樣有利于應力的均勻釋放，同時也有利于懸空薄壁腹板尺寸的保證。

（2）由于中間段、過渡段等截面尺寸劇變處，為應力集中區域，粗加工前，先將這些區域進行粗加工，預先釋放這些部位的應力，以利于后續加工。

（3）將粗加工做細做好，是加工此類零件的重點。因為大部分的殘余應力要在粗加工時釋放出來，所以將粗加工做細做好，使應力均勻釋放并逐漸消除，后續的半精加工、精加工自然是水到渠成。

（4）編制粗銑程序時，注意采用等高降層的方法，使應力逐層均勻釋放。

（5）粗加工后，需要充分自然時效72 h。

（6）由于零件尺寸大，懸空面積非常大，中間缺少有力支撐，針對這種情況，可以利用腹板上的圓孔，在圓孔處預留工藝凸臺，在最后切斷時一并去除。這樣做有兩點好處：

一是工藝凸臺可以在加工中起到輔助支撐的作用，使零件加工狀態穩定，薄腹板尺寸容易保證；

二是避免圓孔切斷時腹板懸空，造成震顫。

[1]邢鴻雁，陳榕林.機械制造難加工技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]楊 豐，黃登紅.數控加工工藝與編程[M].北京：國防工業出版社，2009.

[3]Herbert Schulz.高速加工理論與應用[M].北京：科學出版社，2010.