針對高筋薄壁類鋁合金零件的加工方案

毛旭

針對高筋薄壁類鋁合金零件的加工方案

毛旭

（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）

主要闡述幾種結構特殊（腹板、側壁超薄，筋條超高等）且工藝性較差、加工難度較大的結構件，通過各種非常規的加工方法、手段及編程策略，最終實現優質高效的加工效果，對今后的此類零件的加工積累了寶貴的經驗。

工藝性；切削參數；編程策略

隨著軍事科技的不斷發展，我國的軍事實力也在飛速提高，而未來的戰爭中制空權的爭奪將會越發激烈。因此我國戰斗機的各項指標極限也在不斷刷新。飛機內部的結構件材料的機械性能提高（高強度）的同時，零件結構正向超輕、薄壁的趨勢發展。另外，為了進一步拉近與國際上一些先進飛機的差距，設計人員及用戶越來越關注飛機的隱身性能。因此，各種復雜的甚至可以說比較怪異的結構件，逐漸進入了機加行業視野。為了適應不斷更新的零件結構形式，同時也為了提高自身的技術水平，針對此類工藝性較差的零件進行了很多的實踐，本文將論證在實踐中總結出的一些能夠在保證零件質量前提下，實現高效加工先進方法，這些經驗將對未來加工更加復雜、更高難度的機加零件奠定基礎，同時也具有推廣意義。

1 零件的異型結構

1.1 無筋、無支撐且超薄壁

零件材料：鋁板；外廓尺寸：100 mm×600 mm ×750 mm.

結構特點：簡單框板類零件，但整體槽腔形無筋條支撐且超壁薄（所有壁厚均為1.8 mm）.

加工難點：零件工藝性較差，腹板強度低，在無支撐或加強的情況下，加工腹板至1.8 mm時，零件將劇烈顫動，產品質量無法保證。該零件的加工，從工藝方案及編程策略的設計，到刀具及其參數的選擇，都對工程技術人員提出了更高的要求（如圖1所示）。

圖1 零件的異型結構

1.2 兩側槽腔且緣條超高

零件材料：鋁板；外廓尺寸：150 mm×230 mm ×820 mm.

結構特點：梁類零件，緣條超高，槽腔深達116.3 mm.

加工難點：零件緣條超高，內型槽腔深切細長，只能選用直徑較小，超長的刀具進行加工，長徑比較大的刀具剛性差，對切削方式及切削用量的選擇十分苛刻。另外該零件在板材中平放后，需要加工兩側槽腔，那么零件的擺放及裝夾是決定工藝方案設計的重要因素（如圖2所示）。

圖2 兩側槽腔且緣條超高

2 工藝方案設計及編程策略的選擇

鋁合金板材零件，應用高速設備對零件進行高速切削，在零件結構或剛性較差的情況下，能夠很好地防止零件的變形，從而提高零件質量，同時零件的加工效率也將大幅提升[1]。

在每項特殊結構零件加工前，從工藝方案的安排，到編程策略的選擇，各個細節都進行了詳細的分析及論證，下面將分別闡述。

2.1 無筋、無支撐且超薄壁

2.1.1 工藝方案設計

該零件整體為一個半封閉的槽腔，600 mm ×750 mm范圍內的槽腔腹板尺寸為1.8 mm，且無任何加強及支撐，零件的超薄壁厚尺寸極難保證。但其實，為該零件設計一套專用的真空夾具，在加工最終保證腹板尺寸時，將零件腹板牢牢吸附在夾具上作為支撐，那么雖然零件超薄壁，但槽腔整體不懸空，零件的質量是能夠保證的。但在客觀的外部條件并不允許，只能懸空加工時，那就必須在工藝方案的設計上想辦法，有：第一，零件加工時，毛料與零件間要有足夠的工藝連接，最大程度地提高零件在切削時的剛性；第二，零件在毛料上切斷前，應完成所有的機加工作；第三，充分考慮工藝鏈接及切斷的位置，防止在切斷零件時，零件剛性差使零件顫動而發生質量問題。

2.1.2 編程策略及參數的選擇

零件的槽腔底面腹板為兩個存在角度的平面，因此必須從兩面進行加工才能完成，這樣就會在最后一面精加工腹板時，零件為懸空狀態。那么第一面的程序編制無特殊之處，按正常板材編制即可，但精加工腹板在第二面，就必須考慮零件沒有專用的真空夾具，在懸空的狀態下如何選擇精加工腹板的編程策略及切削參數，才能夠保證產品的質量。

經過各種方案的討論及反復的試加工，最終得到在腹板余量大剛性好的前提下，直接精加工到位。具體編程策略及參數如下：

第一，第二面粗加工零件時，腹板余量并不是通常選擇的1 mm，而是控制在5～7 mm左右，此時槽腔的腹板剛性是足夠的。

第二，精加工腹板程序的宏指令要選擇擺刀下，且要求擺刀的角度3°～5°，直接擺刀至腹板精加工位置。

第三，此時精加工腹板的切削用量為，軸向5～7 mm，徑向1～2 mm，從內向外均勻切削。

雖然這樣編程的刀具軌跡非常密集，但由于切深較大，金屬去除率并不會收到特別大的影響。同時，刀具切削腹板的余量時，外側厚度能夠達到8.8 mm，剛性足夠，而被加工后的腹板1.8 mm處并不是被切削的對象，因此加工時就不會產生劇烈的顫動，能夠保證零件腹板的尺寸及精度。

另外，零件在高速設備上進行切削時，也會受到一定的影響。眾所周知，高速設備上，主軸轉速越高，零件與刀具就越容易產生共振，從而影響產品質量[2]，這就要求參數的選擇要合理。因此，要在合理的范圍內調整主軸轉速以及切削速度。要使轉速降低，而切削速度不變，就要增加每齒進給量，而每齒進給量增加就會造成切削力的增大，同樣會對零件造成影響，這就需要找到這個平衡點。結果證明，每齒進給量達到0.18 mm/r時為最佳的切削效果。

2.1.3 零件加工效果

零件的全部尺寸及光度均滿足設計要求，產品質量得到有效控制，并且零件整體加工時間（包含零件裝夾等準備時間）共4.5 h，加工效率并沒有明顯損失。值得一提的是，在反復的試加工過程中，精加工腹板首次采用的是可轉位鑲齒刀具，刀具的中心沒有底刃，這樣加工的零件腹板中部尺寸大，越到槽腔邊緣尺寸越趨近名義值，且光度也存在同樣趨勢，即中間低于Ra3.2，越到槽腔邊緣光度越好。經過分析改進，最終刀具更改為整體硬質合金刀具后，尺寸及光度的問題同時得到解決。

2.2 兩側槽腔且緣條超高

2.2.1 工藝方案設計

對于這種特殊結構的零件，在工藝方案的選擇及設計上就不能采用一般的板材加工方案的模式。針對該零件，如果板材平放裝夾，那么兩側的槽腔至少需要C擺角的設備，而且還必須將零件墊高防止C擺角設備主軸與設備平臺發生碰撞，同時還需要將零件擺放在方箱的邊緣。這樣設計不但費時費力，而且也不能夠有效的保證產品質量。

因此將板材毛料以槽腔的方向為厚度方向，即此時板材裝夾高度為230 mm.而材料的厚度方向上幾乎沒有余量且需要加工，不可能進行裝夾，這樣就意味著零件的定位及壓緊點只能在零件長度方向的兩端，這樣裝夾工藝性并不可靠。一旦切削力過大，零件的裝夾位置將會移動，也就是俗稱的“零件跑了”。那么就需要在程序編制時選擇合適的切削用量，減小切削力。同時，還要在零件固定后，在機床工作臺上增加限位塊，防止零件的位移，確保零件的定位萬無一失。

2.2.2 編程策略及參數的選擇

零件加工方案確定后，更加困難的是刀具的選擇。主要是由零件緣條超高、槽腔深度達到116.3 mm、槽腔窄小、槽腔轉角均為R8等等這些因素導致，因此，只能選用直徑為16 mm的刀具進行加工，但刀具的下刀深度至少為120 mm，這樣刀具的長徑比為1∶7.5.一般地長徑比達到1∶4以上后，加工鋁合金的刀具的剛性就會特別差，1∶7.5的刀具長徑比，幾乎無法滿足零件的尺寸及精度。因此，加工此類零件的刀具應選擇刃長（刀具有效地切削部位）小，下刀深大的刀具，這樣刀具的剛性相對較高。

雖然針對該零件，刀具的改動已經最大程度的增加了刀具的剛性，但為了產品的質量，在編程中，增加了第二重保險，那就是無論粗加工還是精加工，將深度分為兩層，上層選用較短的刀具，不但能提高加工質量，還能有效地提高加工效率，下層槽腔較深處再換用改動后長徑比較大的刀具加工。

對于該零件來說，除了深度較大外，由于定位及裝夾不是很穩定，在編程的參數選擇上也相當慎重，粗加工縱向切深3 mm，徑向切寬10 mm，主軸轉速12 000 r/min，進給速度5 000 mm/min.

2.2.3 零件加工效果

零件整體加工時間（包含零件裝夾等準備時間）共9 h，零件尺寸均符合設計要求，槽腔深度80 mm處表面光度達到設計要求：Ra3.2，槽腔深度80 mm～116.3 mm處局部光度低于Ra3.2，需要通過鉗工對光度較低處進行拋光才能達到設計要求。后續的改進方向是通過反復的試加工驗證，找到使該零件應用改動后長徑比較大刀具在切削時達到設計要求光度的切削用量及參數。

3 結束語

隨著各國科技的飛速發展，各種設想及理念都被實現了，甚至一些“黑科技”已經應用到戰斗機的設計中，未來的零件結構將會更加多元化。而作為這些理念的踐行者，更要不斷適應這些新的、打破常規的設計，本文正是很好的闡述了這一過程，而這只是一個良好的開端，為今后工藝及生產打下了良好的基礎，積累了寶貴的經驗。

[1]周澤華，于啟勛.金屬切削原理[M].上海：上海科學技術出版社，1994.

[2]劉宗偉，周育才，李文元，等.先進制造技術[M].北京：國防科技出版社，2006.

Research for Processing Method of Steel Thin -wall Aluminum Alloy Parts

MAO Xu
（Shenyang Aircraft Industry（Group）Co.，Ltd.，Aircraft Industry（Group）Co.，Ltd.，Numerical Control Processing Plant，Shenyang Liaoning 110850，China）

This article mainly expounds several kinds of special structure（web，wall thin，rod ultra-high，etc.）and poor manufacturability，processing difficult structure，through a variety of unconventional machining method，means and strategy programming，the realization of ultimate quality and efficient processing effect，for the processing of such parts has accumulated valuable experience.

manufacturability；cutting parameters；programming strategy

TG659

A

1672-545X（2017）07-0081-02

2017-04-24

毛旭（1984-），男，沈陽人，本科，工程師，研究方向：鋁鎂合金機械加工。