航天薄壁鏤空零件加工工藝探索

劉 敏

(安徽建工技師學院，安徽 合肥 230051)

隨著科技水平的不斷進步，設計的零件也逐漸變得輕薄，以滿足高集成、小型化、多用途等需要。在航空航天領域，薄壁鏤空零件是常見的波導零件，其應用廣泛。

薄壁零件剛度、強度低，加工過程中刀具的切削力會引起工件震動，嚴重影響工件表面質量和尺寸精度，不易保證加工質量。該腔體零件在整體摳制加工時，加工余量大、加工周期長、成本高；該零件強度低，材料去除率高，極易出現尺寸精度難保證、表面質量差等問題，屬于特別難加工零件。根據薄壁零件的結構特點和加工精度要求，對于薄壁零件，應盡可能選擇高速切削技術來加工。采用高速切削技術，選用合理的加工參數，制作合適的工裝夾具，可有效降低切削力和切削熱，消除工件的殘余應力，以提高薄壁零件的尺寸穩定性，同時要兼顧加工效率[1-4]。

由于鋁合金整體薄壁件具有輕量化、強度高和耐腐蝕的特點，因此，近年來薄壁件在航空航天產品中得到了越來越廣泛的應用。如何運用有效方法，解決鏤空薄壁零件的機械加工問題，顯得非常重要[5]。

1 零件結構及難點分析

該零件是某星載天線的關鍵零件之一，零件局部截圖如圖1和圖2所示。為最大限度減重，采用的是鏤空結構，內腔壁厚僅為0.76 mm。因天線類零件必須滿足電訊指標要求，因此，關鍵內腔尺寸公差為±0.02 mm，幾何公差要求內腔直線度0.02 mm、平面度0.05 mm。加工的主要難點是：結構剛度很低，導致難裝夾、易產生切削應力變形[6]。

圖2 零件反面局部截圖

2 加工工藝制定

2.1 切削方式及設備選擇

零件采用鏤空結構，且內腔壁厚僅為0.76 mm，剛度很低，這樣的結構很適合采用高速銑削加工技術。工廠新購置了一批高速銑削加工中心，機床主軸轉速達20 000～24 000 r/min，加速度達到0.5g，并且使用HSK刀柄夾持刀具，以上均滿足高速加工的需求，因此，選擇在高速銑削加工中心使用高速加工技術來加工零件。

2.2 裝夾方式選擇

工廠由于業務的轉型，積累了大量真空裝夾加工經驗，但現有的吸盤均不適用于該零件的裝夾。從圖1和圖2可知，可用于真空吸附的接觸面積非常小，因此，不可采用密封圈式(密封圈直徑最小達1 mm)真空吸盤裝夾。筆者參照以往的加工經驗，決定將一批針孔式吸盤進行結構改造，通過試驗驗證吸附力大小來解決裝夾難題。

2.3 切削參數選擇

零件的結構剛度很低，但因電訊要求對內腔提出了“尺寸公差±0.02 mm、幾何公差要求內腔直線度0.02 mm、平面度0.05 mm”的設計要求，在夾緊力足夠的前提下，刀具切削參數的選擇顯得尤為關鍵。影響加工質量的主要切削參數包括轉速、走刀速度、切深、徑向余量以及切削次序的選擇等方面[7-8]。每個因素的改變都會影響最終的結果，可以通過正交試驗和實際切削加工工件來選擇最佳的切削參數。

3 工裝設計制作

從圖1中可以看出，在普通真空吸附夾具上，如果使用密封圈把中間通腔隔離加工，就可避免銑通后漏氣；但該零件通槽有312處，此種方法在原有的真空吸附盤上無法實現，需要考慮設計一種專用薄壁通腔零件的工裝夾具[9]。

根據零件的尺寸，按照工作盤上層結構(見圖3)以及下蓋板密封，在圖3中無通槽區域的中心位置畫φ1.6 mm的孔，共繪制了306個孔，在孔的外圍適當位置，繪制密封槽(見圖3a)，便于密封。吸盤工裝的內部結構如圖3b所示。使用該專用工裝，可保證零件加工過程中穩定可靠，可有效保證薄壁零件的加工精度[10]。

圖3 吸盤工裝上層正反面示意圖

4 加工工藝參數選擇

機械加工過程中，零件的變形影響因素較多，除了加工工藝和成熟的夾具工裝，還需要選擇切削用量。為了節約試驗成本，本文采用正交試驗的方法針對ap(切深)、F(走刀速度)、S(轉速)、精加工余量控制對零件的變形影響進行試驗[11]。

4.1 明確試驗目的

通過選擇最優的切削參數，減小零件的變形。根據零件的實際情況，主要明確φ2 mm立銑刀精加工時加工參數ap(切深)、F(走刀速度)、S(轉速)以及精加工余量對零件腔體變形量的影響。

4.2 確定考察指標

考察指標為零件腔體變形量，單位為mm。

4.3 挑因素，選位級，制定因素位級表

本試驗需考察S(轉速)、F(走刀速度)、ap(切深)、徑向(XY)余量、軸向(Z)余量、切削順序等6個因素，現根據具體情況選出要考察比較的位級(見表1)。

表1 因素位級表

4.4 設計試驗方案

試驗共有6個因素、2個位級，可選擇L8(27)正交表來安排試驗，具體見表2。

表2 正交試驗方案表

4.5 實施試驗方案

正交試驗結果見表3。

表3 正交試驗結果表

4.6 試驗結果分析

首先從直觀結果可以看出，其最好的條件是A1B1C2D1E1F2；通過計算可知，對于變形量控制，越小越好，通過計算Ⅰ和Ⅱ可以看出，最好的條件是A1B2C1D1E1F2。直觀結果與計算不一致，需要適當修改條件，繼續進行試驗；從極差R的結果看，切削順序是重要因素，其次是精銑余量和切深ap，在后續的試驗中，需要選用逆銑，并對精銑余量及切深ap進行重新選擇。

以“計算”的好條件為主，參考“直接看”的好條件，并考慮數控加工效率等，后續繼續進行調優試驗，再進行實際上機驗證。最終通過多次調優試驗和實際上機驗證，找到了變形量最小的加工工藝參數：逆銑；轉速S=22 000 r/min；走刀速度F=3 000 mm/min；切深ap=0.1 mm；徑向余量0.03 mm；軸向余量0.04 mm。

5 結語

本文通過對一種航天薄壁鏤空零件加工實踐，介紹了加工工藝制定，通過設計一種專用工裝，解決了此類零件裝夾難題和加工變形問題；通過使用正交試驗方法，在最短的時間內，找到了最佳的加工切削參數。通過此次加工實踐，為類似零件的加工提供了新方法。