高厚度鋁合金自由鍛件加工中變形控制方法

劉翹 王霞

航空工業沈陽飛機工業（集團）有限公司 遼寧沈陽 110850

高厚度鋁合金自由鍛件因受限于材料成型技術，加工中產生的零件變形無法適應后續柔性裝配需求[1]。因此為滿足先進飛機設計人員的高強度要求，就要不斷探索并解決高厚度自由鍛件在機加過程中的零件變形問題。為了避免或減少這種由變形因素對產品質量帶來的不利影響，有必要針對零件生產過程中造成工件變形的原因進行深入分析及廣泛實踐，掌握控制零件變形的有效方法，從而進行可行性推廣應用。

1 零件結構特點及加工難點

高厚度鋁合金自由鍛件普遍應用于“支臂”類零件，其外廓高度為δ170mm，零件側面支出“U”型槽口，毛料粗加工后重量依然達到33．152kg。由于加工可達性極差，數控加工過程中需要充分釋放其內應力，才能滿足在自然狀態下裝配零組件。

加工難點在于零件高度達到δ170mm，零件在粗加工過程中殘余應力釋放不均勻進而支臂“U”型槽口出現扭曲現象及定位基準面翹起現象，導致粗加工后保留5-7mm 加工余量；粗加工后余量越大，精加工時的變形量隨之越大，需要大量時間進行人工時效，嚴重影響裝配質量及交付進度。

2 影響零件變形的主要因素

2.1 工藝凸臺對零件變形的影響因素

高厚度鋁合金自由鍛件由于毛料打平面后厚度達到δ180mm，需要在數控加工前充分考慮到工藝凸臺設定位置及數量。位置不當，一方面粗加工過程中會導致殘余應力釋放不充分，零件發生扭曲變形的同時定位基準面呈現翹起變形狀態；另一方面由于毛料過高，會為刀具五坐標擺角精銑零件設置人為障礙。數量不當，零件的定位基準面安排不合理，從而切削過程中定位方式不牢固，導致裝夾變形無法完成零件的優質高效加工。

2.2 殘余應力釋放對零件變形的影響因素

殘余應力是存在于物體內部且保持平衡的力。毛坯內部殘余應力的分布及大小對工件的加工變形有很大的影響，是引起工件加工后變形的主要原因之一。機械加工和強化工藝都能引起殘余應力。殘余應力一般是有害的，如零件在不適應當的熱處理、焊接或切削加工后，殘余應力會引起零件發生翹曲或扭曲變形，甚至開裂。零件的殘余應力大部分都可通過適當的穩定化熱處理消除。殘余應力也有有益的方面，它可以被控制用來提高零件的疲勞強度和耐磨性能。

2.3 工藝方案對零件變形的影響因素

（1）數控粗加工方式對零件變形的影響。零件粗加工選擇的設備直接影響零件加工的變形效果，變形量的大小又決定了粗銑后為精加工留取的工藝余量大小；在粗銑后定位基準面變形相對較小的前提下，工藝余量越小對控制精加工過程中的零件扭曲變形越有利，精加工后的成品零件在自然條件狀態下越能滿足飛機裝配型架要求，實現無應力集中狀態下裝配零件。

（2）粗銑后的切斷方式對零件變形的影響。零件粗加工后，由于零件與毛料之間依靠連接筋拉拽力連接，零件尚未脫離毛料仍然處于應力釋放的關鍵階段，周圍料邊仍對料心的零件變形施加應力作用；越延遲切斷零件，彈性變形量越加不可控制，對后續消除變形完成零件精加工帶來質量隱患。通過試切實踐發現，粗銑后相對于轉換工位到常規銑床切斷零件，在原高速加工中心上采取數控切斷的方式更加有利于控制零件變形。

2.4 數控編程及切削參數對零件變形的影響

零件及毛料的結構特點決定需要大下切深的高速銑刀具，數控銑刀的下刀深越長，刀具在銑切零件的顫動量也就越大，切削過程中的動平衡性越差，編程軌跡要求考慮的因素就更加復雜多變，所以選擇合理的編程方式及切削參數尤為重要，可通過分析零件在前期加工過程中的實際變形情況調整編程策略，并對切削參數進行優化使零件充分釋放內應力后有效控制零件變形[2]。

3 變形控制方法對比與選擇

3.1 工藝凸臺的改進與選擇

考慮到工藝凸臺設定的變化形式對于零件裝夾定位起到至關重要的作用，根據產品的工藝性特點，設計出便于裝夾及輔助支撐的工藝凸臺，并利用輔助支撐強化切削點的剛性以減少因彈性變形而引起的精度誤差，使工件在加工過程中具有良好的開敞性，避免刀具與余料產生延刀碰撞現象，更加有利于釋放零件的殘余應力。工藝凸臺設置應遵循簡單易于定位的原則，積極避開深腔加工中的延刀余料部位。

3.2 自然實效與穩定化熱處理

零件粗加工后由原加工方案變形量的2-3mm 至現行高速加工后變形量的0．5-1．5mm，自然實效周期長且效果不明顯，采用72小時自然實效后，變形量仍然≥1．5mm；采用穩定化熱處理可以在產品精加工之前得到最大程度上的釋放殘余應力，裝爐放置半成品（重量大于30kg）時，零件之間的間隙應不小于50mm；在一個料架上，外形尺寸大的零件不允許擺放兩層。穩定化熱處理時，實效溫度允許范圍200±5℃，零件隨爐升溫，控制儀表到設定溫度145℃時開始計時2-3h，保溫結束后出爐空冷，定位基準面變形量范圍控制在1mm 范圍內。

降低了切削力導致的零件變形程度，料邊正常脫離零件的同時一并帶走切削熱。

4 結語

本文基于高厚度鋁合金自由鍛件的高速加工，通過對零件加工過程中的工藝技術角度分析，從穩定化熱處理、工藝方案、程編策略及切削參數等方面對零件變形的影響作為切入點，闡述了解決零件變形的控制方法。變形控制的成功解決也提高了飛機結構件的加工質量和加工效率，降低了加工成本，同時拓展了消除陡峭側壁加工變形的思路，達到均勻釋放殘余應力的目標。