鋁合金復雜薄壁件加工工藝優化

王凱，樊繼航，鄧晶亮

(中國空空導彈研究院河南洛陽 471009)

0 概述

某型發射裝置中的橫梁是用來連接及固定發射梁、上本體和前后支架。該零件體積大，結構復雜，精度要求高。因加工工藝的不合理從毛坯到最終的產品材料去除量達90%以上，是典型的薄壁復雜件。因零件跨度大，支撐面小，結構復雜，造成裝夾困難，加工易產生零件變形，圖樣關鍵尺寸精度普遍難以保證，產品合格率低，一直嚴重影響產品的生產交付。針對該鋁合金復雜薄壁件的加工，采取了具體的工藝措施，確定了合理的工藝參數及路線，保證了加工品質。

1 工藝難點分析

圖1所示為橫梁結構簡圖，零件毛坯為LY12預拉伸鋁合金板材。零件形體比較復雜，缺少理想、可靠、穩定的定位基準，而底面上的加工要素較多，且各要素之間具有較高的位置精度要求。

圖1 橫梁結構簡圖

從結構簡圖分析，該零件加工中存在以下難點:

a)零件頂面厚度僅有5 mm，側壁高且薄，整體鋼性較差，在裝夾和加工過程中易變形，而零件很多孔、槽的位置尺寸及形位公差要求較高，加工不易保證。尤其是135±0.08、165±0.08等底面上的相關尺寸會因為中間通槽變形而超差。

b)加工時，頂面定位面僅寬108 mm，不到總寬的三分之一，考慮到零件的高度50 mm，一旦頂面平面度過大，必然會造成零件傾斜，基準A偏移，圖中幾個對稱度無法保證。實際加工中，零件的加工變形一直是影響產品品質的關鍵因素。

c)零件變形會造成測量時基準面不穩定，影響測量結果穩定性，這也是一個急需解決的問題。

d)零件底面對稱分布的幾處減重槽結構復雜，數控加工性能與效率需兼顧［1］。

2 工藝優化方案

通過前批加工，存在零件裝夾定位困難，定位精度不易控制及精加工變形易造成零件外形及孔距尺寸超差嚴重。針對該復雜薄壁件的關鍵問題，制訂了相應的工藝優化［2］。

2.1裝夾定位方式的設計

橫梁結構復雜，零件本身可提供的可靠裝夾部位只有零件的中間通槽。若僅僅靠該部位定位，裝夾時會造成零件變形，另外零件懸臂處沒有剛性支撐，加工品質難以保證。于是在初步攻關方案中考慮通過增加8處工藝凸臺，用通用虎鉗裝夾的方式進行加工。雖然工藝臺提高了一定的零件剛度，但前批精加工該頂面及工藝臺基準后零件變形，導致用平口虎鉗裝夾工藝臺進行后續加工時，發現8處工藝臺不在一個平面上，最大定位間隙誤差0.15 mm，嚴重影響加工精度。另外用該工藝臺定位加工其他尺寸，存在定位基準與尺寸基準不統一的問題，也會增大尺寸的加工誤差。

為了減小定位誤差，制定了定位方案。新方案采用工藝臺、頂面支撐，零件中心2-D32+0.0390孔定位，相對原定位方案沒有用工藝臺定位，直接用頂面支撐，易于保證高度尺寸及相關的對稱度公差，定位精度高。

根據該定位方案制做了一套專用工裝，見圖2。該工裝以5塊獨立的基板為支撐基準平面，該基板平面度≤0.02 mm。當加工外形及底面時，工件采用工藝臺及頂面支撐，2個定位銷與基板上的兩個D32孔定位，壓板C壓緊。加工后調整壓板，先用4個壓板B壓緊工件，然后去掉定位銷、壓板 C，就可以精加工中部通槽及中心孔2-。

另外使用該工裝時要注意以下幾點:

1)裝夾時要注意裝夾力不可過大，防止將零件變形。

2)壓板著力點要有穩定的支撐，如底面、工藝臺及輔助支撐。

3)裝夾零件時要注意不要糾正零件本身的變形，必要時采用杠桿表打表，輔助支撐進行調節。

通過加工驗證，該專用工裝，在現場使用中方便快捷，定位可靠，不僅適用于橫梁精加工工序的批量加工，也適用于粗加工、半精加工工序。

圖2 專用工裝設計

2.2 確定精加工工藝路線，控制零件變形

a)精加工頂面

頂面的精加工是保證橫梁后續精加工尺寸的一個重要環節，加工必須保證平面度≤0.02 mm，見圖3。

圖3 精加工頂面

該平面是橫梁底面大部分精加工尺寸的定位基準，如果該平面度超差，零件兩側會翹起，用壓板壓緊后，必然會造成零件變形，加工精度無法保證。另外該平面也是橫梁底面尺寸的一個測量的定位基準，測量時零件平放在測量平臺上，呈自由狀態，該定位面的平面度超差也會成倍的反映在底面平面度上。該工序必須減少各種刀具參數下的切削熱及切削振動對工件變形的影響。最終工藝方案采用d16的硬質合金立銑刀，S=4 000 r/min，F=1 000 m/min，切削速度達200 m/min，此時加工效果較好，平面度滿足工藝要求。另外，加工后要求在測量平臺上檢測加工效果，必須保證平面度≤0.02 mm，如果平面度超差，要求重新裝夾修整平面，保證平面度≤0.02 mm。

b)精加工底面

精加工底面時，零件雖然采用專用工裝定位，但零件整體剛性仍然較差。最初加工時，選用d25的銑刀加工。在加工兩側懸翼及16±0.07臺階時，常發生啃刀現象，分析是刀具與工件常發生共振，因此宜選用較小直徑刀具;此外底面及通槽大面積的切削時，加工變形也很大，造成通槽尺寸超差，也宜選用較小直徑刀具。

由于加工面較多，通過試切加工最終采用了3種刀具，底面臺階處采用d16硬質合金立銑刀，避免了共振現象的產生，加工表面的紋路較小，滿足要求;通槽及底面采用d18的刀具加工效率高，且加工變形能控制在很小的范圍內，為保證之后孔系的相關尺寸加工提供了基礎。

c)底面、頂面孔系的精加工

為防止加工變形影響，安排在零件外表面(包括斜面)全部精加工之后再進行加工。裝夾時采用沉頭形式的定位銷，中部通孔用來安裝螺栓，并用了一個小壓板，見圖4。這樣使用后壓緊力及壓緊面大大減小，即使零件定位面不平，也能將壓緊造成的變形減小到最小程度。

圖4 底面孔系加工時頂面定位壓緊方式

3 工藝優化效果

通過本次工藝優化，改進了裝夾定位方式，并制定了具體的防變形加工工藝路線，通過多批產品加工品質一直很穩定。該工藝方案相比類似薄壁復雜件常采用高速加工的方案［3］提出了普通數控銑加工的詳細解決方案，降低了工藝難度，對于類似薄壁復雜零件的加工也具有參考意義。

［1］于四寬，周春雷.MasterCam在內腔加工中的應用［J］.黑龍江科技信息，2007(17):50-52.

［2］張云峰，曹巖.薄壁件加工變形分析與控制［J］.科技信息，2008(08):200-245.

［3］林勝.HSM在航空制造業中的應用［J］.航空制造技術，2003(3):25-28.