大型結構框數控加工技術

■中航工業哈爾濱飛機工業集團有限責任公司 （黑龍江 150066） 楊 雙 王洪林

大型結構框數控加工技術

■中航工業哈爾濱飛機工業集團有限責任公司 （黑龍江 150066） 楊 雙 王洪林

摘要：薄壁深腔類結構件的數控加工一直是航空制造車間的一個加工難點。本文以一個民用直升機尾部結構的大型結構框為例，從對產品的結構和工藝性分析入手，對產品的工藝方法、程編和切削加工參數的確定等進行了論述。

隨著航空工業的不斷發展，航空零件的機加工難度越來越高，其中薄壁深腔類零件尤為典型，其結構復雜，表面質量和尺寸精度要求高，在加工過程中尤其在粗加工時該類零件變形很大，因此在加工該類零件時，不僅要采用先進的加工設備，高端的編程軟件，還要確定正確的加工方案，選用合理的刀具和切削參數，才能保證產品質量及生產要求。

1. 零件結構分析

該例件為某機型機身結構件框類零件（見圖1），是典型的薄壁深腔類零件。該零件最大外廓尺寸為3 500mm×800mm，最高處為70m m，壁厚公差為±0.1mm，端頭斜面傾斜角度為42°。該產品外形理論型面復雜，立筋及腹板壁厚要求較薄，在加工過程中零件特別容易產生變形，因此加工難度特別大。

圖1

圖2

圖3　JOBS146機床

2. 零件加工工藝性分析

該零件加工難點在于：①毛坯去除量大，應力大，零件容易產生變形。毛坯去除量接近90%，加工過程中產生巨大應力，變形難以控制。②腔深、壁薄。零件高度最高處達70mm，立筋最薄處1.5mm，腹板最薄處1.5mm，加工過程中容易產生變形。③該零件為雙面腔，翻轉過程中公差積累，尺寸保證困難。④工藝連接筋較多，零件腔內腹板形狀復雜，加工中接刀區域繁多，大大增加編程難度。⑤零件中間部位懸空，加工中容易產生震顫，影響零件表面粗糙度值及腹板尺寸，對工裝要求很高。⑥零件端頭處立筋傾斜角度過大（見圖2），給加工帶來了很大難度。

針對這種情況，在加工前期，我們制定了合理的加工方案及部分典型位置的加工方法。在編程過程中，將CATIA軟件的加工功能和VERICUT模擬仿真相結合，并應用新的機械加工理念，采用數控加工中心高速切削的加工方法，結合合理的刀具和切削參數，最終大大減少了加工中的變形，在提高加工效率的同時，很好地保證了零件的質量要求。

3. 加工設備及數控加工工藝方案

該零件在數控加工中心JOBS146（見圖3）上進行加工。操作系統為SIEMENS 840D；X向行程為 500mm，Y向行程為3 000mm，Z向行程為1 250mm，A±93°，C±200°；主軸轉速為50～24 000r/min；主軸功率為

49kW；刀柄為HSK A63。

由于零件外形尺寸及質量較大，粗加工后應力變形嚴重，數控加工時的定位裝夾不適合采取周邊工藝墻的方案，只能采取在零件上增加合適工藝凸臺為輔助基準的方法來保證零件正、反兩面的加工。

依據毛料尺寸，零件兩側間隔約600m m，共設置6對工藝凸臺為輔助基準，其寬度為80mm；零件上部端頭內部也設置一工藝凸臺，有利于零件加工中的定位、裝夾和壓緊。

以工藝凸臺為輔助基準的定位、裝夾方式，替代了銑切夾具，節省了研制成本，縮短了零件的研制周期，提高了零件的整體剛性，解決了零件局部剛性差的問題，有利于加工尺寸的穩定。工藝凸臺在環形框零件精加工完成后由數控工序去除。工藝凸臺的布置形式如圖4所示。

根據零件的結構特點和毛坯狀況，最終確定數控加工分為粗加工、半精加工和精加工三個階段。

粗加工階段主要是去除毛坯的大部分加工余量，考慮到零件毛料去除量大，內應力釋放后產生扭曲和變形，零件所有表面預留了10mm的加工余量。為充分消除零件的內應力變形，保證零件精加工后的重要特性尺寸和表面粗糙度，滿足其較高的形狀及位置精度要求，零件的半精加工階段分兩次進行，零件所有表面留2mm精加工余量?？紤]到粗加工和淬火后產生的內應力變形對零件半精加工的影響，編程加工原點及編程坐標系設置在零件腹板上部的減輕孔中心處。

圖4

數控精加工階段的主要任務是保證零件的重要特性尺寸和表面粗糙度，滿足其較高的形狀及位置精度要求。考慮到該零件為典型的深腔豎梁結構，在數控精加工階段應以保證零件的尺寸精度和表面質量為主。

4. 數控程序編制

（1）程序編制的主要工藝原則。該零件按CATIA三維數字模型加工制造，零件數字模型完整描述了零件的主要信息，是CAD/ CAM集成數控編程系統的核心。

粗加工階段，為減小零件毛料內應力釋放而產生的扭曲、變形，程序編制采用等高銑削對稱去除大余量方式，選擇合適的背吃刀量進行分層切削，保持切削和刀具載荷均勻，防止過載和波動，減少銑削內應力造成的變形；考慮到此零件為多槽腔結構設計，區域加工順序選擇不連續加工區域的層優先方法，以保證粗加工后零件各處槽腔及筋板的加工尺寸一致性；為充分釋放粗加工后的零件內應力，零件腹板上的減輕孔粗加工并預留10mm余量。

半精加工是把粗加工后的殘留加工面變得平滑，同時去除拐角處的多余材料，在工件加工表面留下一層比較均勻的余量，為精加工做準備。由于半精加工對零件表面質量、輪廓精度及刀具壽命有很大影響，因此，此零件的半精加工分兩次進行，在粗加工預留10mm余量的基礎上，按先進行內腔、內形加工，后進行外形加工的加工順序，對零件所有表面預留5mm加工余量進行第一次半精加工后，再進行第二次半精加工，保證零件所有表面預留2mm精加工余量，最大限度地消除零件變形。

精加工是數控加工的最后一道工序，其目的是按照圖樣要求，使零件達到最好的表面質量和輪廓精度。此零件按先內形后外形的加工順序，保證零件的重要特性尺寸和表面粗糙度，滿足其較高的形狀及位置精度要求。

針對此零件有多處凹槽腔及拐角的特點，采用二刃（或三刃）等直徑銑刀以插銑加工（也稱為鉆銑加工或直搗式加工）的方式對零件上深陡槽腔的拐角（轉接圓角）進行精加工，以避免由于銑削刀具太長，加工時偏擺太大，導致拐角處的加工尺寸、表面質量差等問題。

此零件單面最大精加工深度70mm，是典型的多深腔陡壁結構。為防止精加工時在陡壁面和非陡壁面上的切削載荷的急劇變化，對零件陡壁面和非陡壁面采用不同的程編加工方法，陡壁面采用槽腔銑，非陡壁面采用曲面輪廓銑，使這兩部分都得到有效加工，獲得均勻、理想的表面粗糙度值。

總之，精加工階段必須合理安排零件數控加工程序。盡可能地使用連續策略，將程序加工

步驟減少到最少，在零件的一些臨界區域應盡量保證不同步驟的精加工路徑不重疊，避免出現刀痕；同時應盡量使用單個刀具精加工臨界區域，防止因更換刀具而導致精加工后加工表面產生接刀痕跡，降低零件的表面質量，增加后續鉗修工序工作量等問題。

（2）數控編程的誤差控制。在圖形交互式自動編程方式中，編程的核心是刀位點的計算，其編程誤差主要考慮兩個誤差：一是刀具軌跡計算誤差；二是殘余高度。

數控編程刀具軌跡是由直線和圓弧組成的線段集合，近似地取代刀具的理想運動軌跡而擬合產生的插補運動，存在著一定的插補計算誤差。這種誤差是刀具軌跡計算誤差的主要組成部分，它會造成零件加工尺寸不到位或過切現象的出現，在CAM軟件中通過設置公差帶的方法來控制刀具軌跡計算誤差。

數控粗、半精加工階段的主要目的是去除加工余量，消除內應力變形，考慮到CAM軟件輸出的刀位文件長度大小及數控機床CNC控制器的存儲容量限制，其編程程序公差帶（Machining tolerance）數值應設置為0.2～0.3mm；此零件尺寸公差按照GB 1800―1999執行，數控精加工階段編程程序公差帶數值應設置為≤0.05mm，以保證數控編程實際刀具軌跡不超出零件制造公差的范圍。

在數控加工中，相鄰刀軌間所殘留的未加工區域的高度稱為殘余高度，作為評價加工質量的一個重要指標，它的大小決定了零件加工表面的粗糙度值，同時對數控加工完成后的鉗修工作量有很大影響。

此零件數控精加工時，對殘余高度的控制采用合理選擇銑削刀具徑向步進距離（刀軌行距）方法進行編程，在控制殘余高度、保證加工表面質量的前提下，應以最大的刀軌行距生成數控刀具軌跡，提高數控精加工效率。

（3）數控程序切削用量的確定。數控編程時，必須確定每個程序段的切削用量，并以指令的形式寫到程序中。切削用量主要包括主軸轉速、背吃刀量及進給速度等。不同的加工階段和方式應選用不同的切削用量，以充分發揮刀具的切削性能和數控機床功能，最大限度地提高生產率。

主軸轉速n的確定：此零件粗加工及半精加工階段均采用五坐標數控龍門銑JOBS146加工。依據該數控機床性能和所選用加工刀具直徑大小，設置n=15 000r/min較為合適；為保證零件表面質量，數控精加工階段采用n=10 000r/min，并可根據刀具直徑大小進行適當調整。

背吃刀量ap的確定：此零件粗加工階段，依據毛坯材料、機床性能和刀具直徑，并考慮到內應力變形、加工效率等因素，ap數值確定為5mm較為合理；半精加工及精加工階段，根據加工余量、刀具直徑以及加工后的表面質量要求等影響因素，ap數值設置為3mm為宜，同時依據選用刀具直徑大小在程序編制時做適當調整。

進給速度vf的確定：vf數值應根據零件的加工精度和表面粗糙度要求及刀具和工件材料來選擇確定。粗、半精和精加工階段分別依據切削刀軌行距、背吃刀量ap、每齒進給量fz、主軸轉速n在保證合理刀具壽命和零件加工精度、表面質量的前提下選取合適的進給速度vf。

數控編程中，還應考慮在不同切削情況下采用不同的進給速度。如在初始切削進刀時，特別是Z軸下刀時，由于端銑受力較大，應采用相對較慢的速度進給；對于沿Z軸方向進給，由高往低的曲面區域加工模式，在產生端切削時，也應設置不同的進給速度；切削過程中的平面側向進刀，產生的全刀切削而導致切削條件較差，需采用較低的進給速度。

5. 結語

通過此種零件的加工，我們積累了大量薄壁深腔類零件的加工經驗，但在對特殊部位的處理時還是遇到了很大的困難，歡迎各界專家提出寶貴意見。

參考文獻：

[1] 艾興. 高速加工技術及其應用研究[J]. 中國工程科學，2000 （11）：40-51.

[2] 張世瑩. 用于高速銑削的刀具[J].產品與技術，2000（8）：62-64.

[3] 張伯霖，楊慶東，陳長年. 高速切削技術及應用[M]. 北京：機械工業出版社，2002.

收稿日期：（20140918）