某型機機體結構3框數控加工工藝設計

豆永鵬+郭垠昊+閆冰

摘 要 針對某型機3框薄壁零件結構特點，通過對零件工藝方法的研究，有效解決了零件加工過程中存在的加工變形、壁厚不易控制的問題，在實現零件高速切削加工的同時，大幅提高了加工效率。

關鍵詞 薄壁零件；工藝方法；加工變形

中圖分類號：TG547 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0040-02

某型機機體結構3框是該型機機身主要承力框和傳力框，框體面航向方向與駕駛艙相連接，逆航向方向與中機身連接，框體橫梁上方連接主減速器安裝平臺，兩處左右對稱凸緣安裝主減速器接頭，框體左右外緣邊框有兩處非法向φ34螺紋孔，螺紋孔通過撐桿連接安裝主起落架，該件屬于整機機體結構的關鍵部件。

1 工藝分析

零件采用7010-T451高強度、抗蝕、具有損傷容限的合金鋁，其材料組織穩定，切削性能好，但切削時容易粘刀、產生積屑瘤，加工難度較大。3框零件外形尺寸為1697 mm×1043 mm，外形尺寸大、壁厚薄、加工余量大、相對剛度較低。由于零件采用了等強度設計，零件正反面形成了對稱分布的下陷、立筋和腔槽，此類的強度設計一定程度上雖然減輕了框體的結構重量，但是導致零件的長度方向撓度變大壁厚變薄，框體腹板厚度最薄處為1.5 mm，最后處僅為3 mm，因此在加工過程中零件外形輪廓尺寸較難控制。

通過對3框的上述工藝分析，其工藝有以下特點。

1）針對零件材料本身工藝特性，3框需采用高速銑削方式加工，刀具應選擇具有高耐磨性、高抗彎強度和沖擊韌性及良好的耐熱沖擊性能，同時刀具表面的粗糙度低，以減小與鋁合金的摩擦和粘結。

2）航空機體結構件的復雜型腔是由整塊毛坯件逐步銑削挖制而成，此件的加工工藝過程為：粗加工-半精加工-精加工。由于框體壁厚薄，尺寸精度高，為防止應力變形，工序間合理安排加工時效。

3）零件結構復雜，且多處型腔的腹板Z向無支撐，加工中壁厚不易控制，因此需考慮裝夾定位和工藝協調。

4）零件尺寸大，毛坯尺寸為1910 mm×1300 mm×120 mm，切削加工時間長導致零件生產周期長，且材料利用率非常低，整體結構件只有10%，在保證零件加工質量的前提下，工藝設計重點考慮如何通過合理設置加工參數，提高加工效率，縮短加工周期。

2 工藝設計

通過對3框的工藝分析，下面從工藝流程設計、夾裝定位、數控編程等方面進行詳細說明。

2.1 工藝流程設計

為了保證銑削過程中零件精度保證質量、有效控制零件變形，工藝流程設計如下：大余量粗加工、自然時效、真空裝夾精加工。其中大余量粗加工主要是通過高速切削去除毛坯的大部分材料形成零件的初加工尺寸。自然時效主要是通過一段時間的自然放置，可以進一步釋放粗加工過程中材料產生的殘余應力，有效控制精加工過程中的零件變形。真空裝夾精加工依據零件三維數模分析提取的真空吸附夾具，對框體單側吸附精加工一面，之后通過定位孔翻轉精加工另一面，真空吸附主要為了確保零件加工過程中的連接穩固同時也為有效控制零件加工變形。

2.2 定位夾裝

零件進行四周連接的裝夾時，第二面加工處于懸空狀態，因此需要考慮連接和裝夾的穩固性，并做出合適的工藝輔助線、零件和毛坯的工藝連接臺。工藝連接臺必須有足夠的強度，才能保證連接和裝夾不松動。因此毛料尺寸必須保證足夠的裝夾余量，保證裝夾的可靠，避免裝夾的切換；零件和周圍毛料的連接要有足夠的強度，避免加工振顫，裝夾定位用四個定位孔找正。

3框多處型腔的周圈腹板Z向無支撐，加工中易變形，尺寸保證困難。經分析提取真空夾具，將粗加工完后的零件直接吸附在工裝上，再進行精加工。為了避免加工中殘余應力釋放不均勻，減少框體翻面加工中零件變形及重復定位不精確產生位移的問題，加工中采用多點過定位的方式，強制消除加工中產生的變形、位移。

通過上述方法確保零件能夠裝夾牢靠，提高加工精度。

2.3 加工輔助線

立筋、下陷加工后存在加工殘余，導致零件表面粗糙度和壁厚難以保證，因此數控編程過程中需要做一些加工輔助線。例如加工立筋或側面時，通常要圓弧進刀和退刀，在筋條面上作出用于編制進退刀程序的相切筋條的圓弧輔助面，以達到恒定的切削條件，避免讓刀，來保證筋條厚度。

2.4 編程設計

薄壁框體零件的加工要求金屬去除量均勻，銑削過程的載荷穩定，銑削給進速度均衡，避免進刀方向和加速度的突然變化，適宜的編程設計可以滿足上述要求，保證零件加工質量。下面主要從銑削策略、刀具選擇、切削參數配置等方面說明。

2.4.1 銑削策略

零件毛坯為大尺寸厚板，因此加工過程分層多次銑削，以避免高速銑削過程中產生的過熱及應力，致使框體變形、刀具崩刃。由于航空鋁合金材料在高速銑削過程中較容易粘刀在零件表面容易形成積屑瘤，因此加工過程中的銑削路線多采用“區域往復對稱加工”的方法，進一步有效控制零件變形和零件應力集聚。

2.4.2 刀具選擇

合理的刀具選擇對零件加工精度和加工質量至關重要。為保證切削的穩定性，降低排屑難度，減緩腹板Z向變形，銑刀刀具的齒數選擇適中，為減小主軸刀具的偏心量，銑刀刀齒應該沿整個圓周方向對稱。考慮到刀具壽命、零件表面加工質量、加工過程切削力的大小、變形等因素，刀具的前角、后角和螺旋角需要綜合考慮，因此前角范圍在12°～25°之間，后角按照軸向切深與徑向切深比值的（ap/ae）選取原則，針對該零件后角選擇范圍在6°～18°之間。

2.4.3 切削參數

1）粗加工參數配置。粗加工的目的是在有效時間內高效去除零件材料，不形成關鍵重要尺寸，刀具選用大直徑硬質合金刀，切削方式為順銑。此件選用直徑32 mm立銑刀，切削參數ap=3 mm，ae=3 mm，fz=0.5 mm/z，F=6000 mm/min，S=13000 r/min，粗加工留量2 mm。

2）半精加工參數配置。選用直徑25 mm立銑刀，切削參數ap=1.8 mm，ae=2 mm，fz=0.2 mm/z，F=4000 mm/min，S=12000 r/min，半精加工留量0.2 mm。

3）精加工參數配置。精加工形成零件最終的外形尺寸、形位和幾何尺寸及要求的表面粗糙度。因此精加工選用直徑12R3立銑刀，切削參數為ap=0.2 mm，ae=0.3 mm，fz=0.05 mm/z，F=3000 mm/min，S=8000 r/min。

3 結束語

某型機3框零件外形結構上多立筋、下陷、腔體，外形尺寸較大，框體外緣左右邊框表面為曲面走向，導致框體整體加工質量和精度不易保證，由于壁厚薄、切削變形不易控制，零件的加工周期長、廢品率較高。通過對工藝流程設計、夾裝定位、數控編程等方面參數進行多次優化和改進并應用CATIAV5R19軟件進行刀路仿真后，固化了各項參數，該零件存在的上述問題得到了良好控制，使得該零件的生產效率提高了50%，大大縮短了零件的生產周期，保證了生產進度。

參考文獻

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[3]徐圣群.簡明機械加工工藝手冊[M].上海：上海科學技術出版社，1991.

作者簡介

豆永鵬（1982-），男，甘肅寧縣人，工程師，本科，研究方向：航空機械。endprint