大型異形鑄造鋁合金艙體精密加工技術研究

陳鵬強 翟學智 劉 明 金守榮 陳 明 劉玉斌

（航天科工哈爾濱風華有限公司，哈爾濱150001）

1 引言

隨著飛航導彈產品的不斷升級與發展，越來越多的大型艙體正逐步由圓形結構向異形結構轉變，薄壁異形結構件的研究極大地增加了產品的應用性能。但該類零件結構形狀復雜，外形輪廓尺寸精度要求高，整體剛性差，特別是鑄造應力和切削加工應力產生的變形十分嚴重，切削加工過程中工件回彈大，讓刀、震顫現象明顯，給航空航天制造業提出了嚴峻的挑戰，極大地影響了產品競爭力與企業的經濟效益。因此，有必要開展大型異形鑄造鋁合金艙體精密加工技術研究。

目前，國內外研究學者開展了鋁合金薄壁結構件加工技術研究。S.Ratchev 等人在2004年提出了一種低剛性結構件銑削過程中誤差預測與補償技術，所創建的模型準確性較高[1]。胡權威2013年提出了一種有限元正交優勢分析方法，針對大型整體薄壁結構件優化銑削參數，減少銑削過程中零件產生的變形，試驗結果證明了該方法的可行性[2]。蘇寶玉2014年提出了一種填充物輔助增強薄壁結構件剛性的方法，大量試驗結果表明該方法能夠實現薄壁結構件的精密加工[3]。牛亞洲2016年分析了低應力裝夾過程對鋁合金薄壁結構件精密加工的影響，建立了綜合工件的有限元分析模型，得出了最優的裝夾方案，實現了低應力裝夾在精密加工中的應用[4]。本研究以某型號導彈上大型異形鑄造鋁合金艙體為研究對象，建立了異形艙體的有限元仿真分析模型，歸納了艙體的數控加工切削參數，總結了加工過程中變形規律并制定相應的解決措施，用以指導實際生產。

2 工藝分析

2.1 結構特征

大型異形鋁合金艙體是某型號導彈結構件中的重要組成部分，材料為ZL114A，I 類鑄件，熱處理狀態為T6，大端為直徑Φ1400mm 的圓形端框，小端為非圓異形截面結構，輪廓外徑680 ～700mm，總長1050mm，錐度約20°，壁厚（典型）為3mm，結構如圖1所示。

圖1 艙體外形結構圖

2.2 工藝難點分析

艙體結構復雜，內外表面均需機械加工到位，材料去除量大，且95%以上區域均需采用銑削加工成型，鑄造應力及銑削應力產生的變形難以控制；艙體外形面輪廓度要求不大于0.3mm，圓形端框圓度要求不大于0.2mm，兩端面與軸心的垂直度要求不大于0.15mm，尺寸公差要求嚴格，難以保證；艙體壁厚僅3mm，整體剛性較差，加工過程中易出現震顫現象。

2.3 加工設備

針對艙體的尺寸和結構特點，選用五軸龍門鏜銑加工中心MEGAMILL-HP5 進行銑削加工，工作臺行程 5500mm×4000mm×1800mm ，重 復 定 位 精 度0.002mm，具有結構剛性好、精度高的特點，能夠滿足異形艙體的銑削加工要求。

2.4 主切削力模型

主切削力是加工過程中產生變形的主要因素，有研究人員運用統計分析方法計算出不同立式銑刀加工鋁合金結構件產生的主切削力[5]，通過驗證得出相應數據，計算公式如下：

式中：Fc為主銑削力，aw為切寬大小，f為每齒進給量，d為刀具直徑，ap為切削深度，Z為刀具齒數。

3 應力均化處理技術研究

3.1 振動時效技術研究

振動時效（VSR）是在激振設備周期性外力的作用下，對工件施以循環載荷，使工件自身產生共振，進而使其內部發生塑性變形，消除并均化殘余應力、穩定工件尺寸精度的時效方式。振動時效工藝技術的關鍵參數有動應力、激振頻率和振動時間[6]。

3.1.1 激振力的選擇

激振力是激振器偏心質量模塊產生的離心力，可通過調節偏心距來調整激振力的大小。本研究按動應力與殘余應力之和大于材料屈服極限以及動應力小于材料的疲勞極限原則，選取動應力大小為20MPa。

3.1.2 激振頻率的選擇

工件的諧振點有多個，其諧振頻率與工件質量、支撐點位置有直接關系。本研究的振動時效機轉速從2000r/min 開始向上掃頻，直到8000r/min 極限為止，記錄每一處諧振點所對應的頻率，選取加速度不低于15g 的兩個諧振點進行時效。

3.1.3 振動時間的選擇

振動過程中，隨殘余應力的消除，其動應力、固有頻率和振幅等參數將發生變化，監測參數的變化直至趨于穩定，結合工件質量、外形尺寸等選取振動時間為35min。

3.2 熱時效技術研究

該產品的材質為ZL114A，T6 狀態，熱處理溫度為150～170℃，為了不改變材料的熱處理狀態，本研究將爐溫定為120℃，保溫時長10h，隨爐冷卻。

4 低應力工裝技術研究

為了能夠提高工件的剛性，減小加工過程出現的震顫現象，對艙體裝夾方式進行有限元仿真研究分析，將艙體小端固定，在大端端面施加載荷，發現艙體大端整體向外脹，異形面處最為明顯，針對薄弱環節設計了低應力裝夾工裝，如圖2所示。

圖2 低應力裝夾工裝

圖3 不同裝夾方式下艙體變形量

通過調整工裝使隨形護板與艙體外形貼合，既能有效控制艙體變形量，又能防止艙體加工過程中出現震顫現象。對比壓板裝夾和低應力工裝裝夾兩種方式艙體變形量如圖3所示，在大端外形面采取了8 個數據點，采用壓板裝夾最大變形量為0.7mm，采用工裝裝夾最大變形量為0.3mm。

5 高效加工技術研究

5.1 工藝流程

合理安排工藝過程，經過多道工序均勻去除余量，在工序間多次穿插振動時效和熱時效，無論從原材料內部應力或機加殘余應力均逐步且均勻去除，能夠有效控制工件變形，工藝路線如圖4所示。

圖4 大型異形艙體加工工藝路線

5.2 高效加工技術

艙體外形與內腔均為不規則曲面，每一點曲率均不同。加工外形面時，選擇直接D80R5 硬質合金立銑刀，利用五軸聯動數控加工方法，刀具始終保持垂直于艙體型面，主軸轉速S為1500r/min，進給率F為1000mm/min。

圖5 不同主切削力下艙體變形量

精銑內型面時，選用直徑D20R5 的4 刃立式硬質合金銑刀，采取了低應力外撐輔助工裝，有效的提高工件剛性，防止加工過程中讓刀、震顫。研究主銑削力大小對變形量的影響，進而控制切削加工參數，滿足質量的前提下使加工效率達到最大化，通過在線檢測實時測量艙體變形量與主切削力之間的關系，如圖5所示。

當主切削力達到15N 時，艙體變形量為0.25mm，滿足設計要求，最佳切削速度為1600mm/min，轉速為2500r/min，切寬10mm，切深2mm，技術指標完成情況見表1，產品質量穩定可靠。

表1 艙體技術指標完成情況

6 結束語

通過分析艙體工藝加工難點，制定了工藝加工流程，提出了應力均化處理技術和低應力工裝技術，研究結果表明：

a.振動時效時間為35min，熱時效爐溫120℃，保溫時間10h，能夠有效消除和均化內部殘余應力；

b.采用壓板裝夾工件最大變形量達到0.7mm，利用低應力工裝輔助裝夾最大變形量僅0.3mm；

c.優化了切削加工參數，分析了主切削力對變形量的影響，得出精銑內腔轉速為2500r/min，切削速度1500mm/min，切寬10mm，切深2mm。

本研究經過了3 個批次的驗證，所加工產品均滿足技術要求，提高了企業的競爭力與經濟效益，為此類大型異形鑄造鋁合金艙體精密加工提供了參考。