鋁合金材質的支架類零件加工工藝分析與優化

王長閣+++馬侖+++唐春麗

摘 要：航空工業是一個國家工業實力的重要體現。在航空設計制造領域，支架類零件是其中應用較多且加工難度較高的一類零件。尤其是在航空領域，鋁合金是使用最多也是最為重要的一種材料，其相對鋼鐵而言盡管強度有所不足但是重量要比鋼鐵輕的多。鋁合金材質的支架類零件在航空領域應用較多，但是由于支架類零件的壁厚較薄從而導致鋁合金材質的支架類零件容易在加工的過程中產生變形，從而影響零部件的加工質量。文章在分析某鋁合金材質支架類零件工藝性特點的基礎上對其加工工藝進行了分析闡述。

關鍵詞：鋁合金材質；支架類零件；加工工藝

前言

復雜零部件加工是機械加工中的一項難題。以鋁合金材質的復雜型腔薄壁支架類零件為例，其空間結構復雜加之其屬于薄壁類零件，在加工的過程中極易變形。為確保此類鋁合金材質的支架類零件的加工質量，在分析鋁合金材質的支架類零件特點以及變形原因的基礎上通過合理的加工工藝最大限度的控制其加工過程中的變形量，確保零部件的加工質量。

1 支架類零部件的特點

支架類零部件是在機械加工中較為普遍的一類零件，其多用于與其他功能零件的連接或是承受一定的疲勞應力的作用，因此在支架類零件的加工過程中對于精度的要求較高。但是其復雜的型腔結構及較高的形位公差要求對支架類零件的加工帶來了不小的挑戰。

2 鋁合金材質的支架類零件加工中容易變形的原因分析

支架類零件其獨特的結構使得其在加工的過程中容易產生變形，從而導致支架類零件在加工完成后個別工件出現尺寸超差的問題，尤其是鋁合金材質的支架類零件在加工的過程中其所產生的變形情況更為明顯。造成鋁合金材質的支架類零件變形的主要原因是由于薄壁支架類零件在裝夾時所受到的裝夾力和高速銑削加工時機床對鋁合金材質的支架類零件的沖擊力都會使鋁合金材質的支架類零件受到額外的附加力的作用。這些外加力的作用盡管在其所能承受的范圍內但是卻破壞了鋁合金材質的支架類零件內部的應力平衡，當這些外加力超出了鋁合金材質的支架類零件所能承受的彈性極限時將會使得鋁合金材質的支架類零件產生加工形變。為確保鋁合金材質的支架類零件的加工質量最大限度的降低因加工中所產生的應力集中而導致的加工變形缺陷，應當通過對鋁合金材質的支架類零件加工中的殘余應力進行分析并通過采取合理的加工工藝來消除鋁合金材質的支架類零件加工中的殘余應力以避免變形的產生。

3 鋁合金材質的支架類零件的加工工藝分析

鋁合金材質的支架類零件由于型腔結構的復雜性因此多采用數控加工中心來完成對于支架類零件的加工。以某型號鋁合金材質的支架類零件為例，材料采用的是2A12T4，其形狀復雜從而為零部件的加工帶來了極大的困難與挑戰。在此鋁合金材質的支架類零件的加工中主要面臨著3個方面的難點：（1）此零件的加工精度要求較高，零件的尺寸公差較小，且對加工完成后的鋁合金材質的支架類零件的表面粗糙度部分區域要求達到Ra1.6？滋m剩余的區域粗糙度則要求達到Ra3.2？滋m，但是由于這一零部件的厚度僅為1.1mm，且深度較大，這類薄壁件在加工的過程中容易受到應力的作用而導致變形。（2）此類小型號的支架類零件其表面加工輪廓的深度最大可達32mm，但是此處的轉接圓弧2為R2mm，深度和圓弧半徑的比值達到了0.06且遠遠小于0.2的比值要求。針對上述問題在支架類零件加工工藝的編制中應當通過合理的方式予以解決。在鋁合金材質支架類零件的加工中應當按照：粗車-粗銑-精車外圓-線切割-精銑等的順序進行。在這一加工過程中，銑削加工時其中的重點也是難點加工環節，此零件選用德瑪吉公司的160P機床進行數控加工，加工零點選在零件上表面的圓心，使用UGCAM完成對于加工程序的編制，在加工順序上：首先完成零件上表面的加工，在加工上表面的過程中下面4個型腔仍然保持有良好的剛性，加工中所產生的沖擊對于加工精度影響較低。完成了上表面的加工后對工件的下部的型腔和分布在周邊加強筋上的耳進行精加工。為避免加工中沖擊力過大而導致的加工變形問題在加工時選用小直徑銑刀進行慢進給小切削量的加工，在加工時合理安排粗、精加工工序，并選用合理的裝夾方法來控制加工變形量。使用留夾頭裝夾、粗銑釋放變形、安排時效等的工藝來消除鋁合金材質的支架類零件加工中所產生的變形。針對鋁合金材質的支架類零件加工中所存在的第二個難點，在加工時通過磨制專用的加工刀具采用小切削量的加工方式，但是在試加工中發現工件表面留有明顯的振刀紋，因此，在鋁合金材質的支架類零件的加工中需要采用高速銑加工技術。

相較于以往的加工技術，高速銑通過主軸高轉速（幾千或是上萬轉）、高進給、小切削量的加工方式完成對于工件的切削加工。采用高速銑加工方式能夠有效的縮短工件的加工時間、提高工件表面的加工質量，通過相關研究表明，高速銑加工方式能夠在薄壁類零件中發揮出良好的加工效果。

本次加工中所使用的德瑪吉公司的160P五軸加工中心其電主軸的最高轉速高達16000r/min，在對鋁合金材質的支架類零件進行加工時選用10000r/min的加工轉速，進給深度選擇每刀0.2mm，進給速度為4000mm/min，進給速度極快。選用此種加工工藝后所加工完成的零件與使用一般轉速的加工零件進行對比后發現，采用高速銑削加工后提高了工件表面的粗糙度，一般轉速加工中所存在的振刀問題消失不見，加工質量和加工效率得到了極大的提升。在鋁合金材質的支架類零件加工工藝上由于采用了高速切削的方式，因此在加工編程上除了考慮刀軌無干涉無碰撞這一因素進行考慮外，還應當在加工編程中注意一下幾點：（1）刀軌在加工中應當盡量保持平滑，避免運行軌跡突然變化，以免影響鋁合金材質的支架類零件表面的加工質量。（2）在鋁合金材質的支架類零件加工編程中應當最大限度的降低甚至與消除加工殘區。（3）在編程中盡量避免多余空刀。（4）在鋁合金材質的支架類零件高速銑削加工工藝的編制上應當盡量保持穩定的切削參數，避免參數突然變化對鋁合金材質的支架類零件加工質量的影響。（5）在刀具切入工件時應當緩慢的切入避免高速切入從而對鋁合金材質的支架類零件造成沖擊。在進刀方式的選擇上，垂直進刀能夠最大限度的縮短進刀路徑但是不足之處則是刀具的垂直進入會增大刀具在軸向的負載，這一負載的變化容易導致刀具發生偏斜從而影響刀具的加工質量和使用壽命，垂直進刀方式應當謹慎選用。切向進刀在高速加工時能夠取得良好的加工效果常用于工件外進刀，斜向進刀在加工時能夠使得刀具漸進切入工件，因此工件所承受的切削力較小比較適合于高速銑削的加工進刀。但是上述幾種進刀方式在銑削時由于是單一方面施力加之刀軌不連續容易導致主軸振動從而影響加工質量，因此，在高速加工可以選擇螺旋進刀方式來做好對于加工質量的優化。在鋁合金材質的支架類零件加工工藝的編制中如能夠按照上述要求完成加工工藝的編制將能夠使其適應高速走刀且能夠有效的降低主軸的振動和偏斜，從而極大的提高了工件在加工中的平穩性，有助于改善工件的加工質量。

上述某型鋁合金材質的支架類零件由于加工難度高，在加工的過程中通過不斷優化改進加工工藝現已完成了加工生產但是由于加工工序復雜因此加工周期和成本都較高。

4 結束語

鋁合金材質的支架類零件是航空零部件中應用較多的一種工件形式，本文在分析鋁合金材質的支架類零件加工特點的基礎上改進加工工藝，使用高速銑削加工技術完成加工并取得了良好的加工效果。

參考文獻

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