薄壁弱剛性大尺寸框一體化精密加工技術研究

王熙杰 蔡慧林 張貝貝

摘 要 本文針對薄壁弱剛性大尺寸鋁合金門框結構復雜、剛性差、精度高、加工易變形等難題，通過高速加工消除加工應力、設計裝夾工裝、仿真優化刀具軌跡、特制專用刀具、在線與離線測量誤差補償等加工工藝措施，解決了該類門框零件的加工難題，實現了零件尺寸精度優于H7級、形位精度平面度0.1、平行度0.15、垂直度0.2、表面粗糙度Ra優于1.6等技術指標，形成了一套成熟的加工工藝方案，為后續該類零件的加工提供了指導和借鑒。

關鍵詞 薄壁 大尺寸 鋁合金 精密加工

中圖分類號：TU395 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）01-0015-04

1 前言

鋁合金材料因其密度小、強度高、耐腐蝕、韌性好、加工性能優異、成本低等諸多優點[1-4]，在航空航天與民用工業領域中得到廣泛應用。我國幾乎所有航空航天產品都要用到鋁合金材料，特別是在通訊衛星等型號中的支架類、壁板類零件產品幾乎都是鋁合金材料，但這些復雜、精密的鋁合金零件由于整體結構框架件尺寸大、結構復雜、壁薄、剛度差、多孔、多轉角、厚度跨度大等原因，在生產制造過程中加工質量和精度很難控制，容易發生變形，給加工帶來許多困難。而隨著航天技術的飛速發展，零件的設計精度越來越高，這對航天制造技術及制造精度提出了更高的要求。

門框是密封客體的關鍵構件，其質量與精度直接決定客體的密封性能。本文中門框采用一體化空間曲線薄壁殼體結構（如圖1及圖2），材料為5A06鋁合金，其力學性能與物理性能如表1所示。門框最大外徑為Φ2500mm，內圈尺寸為1500mmx1600mmx200mm，重量約80kg。最小壁厚為3±0.15mm，內圈呈放射狀環槽結構。零件加工過程中材料去除率高達90%，端面垂直度0.2mm，端面平面度0.1mm，端面表面粗糙度Ra0.8，尺寸公差為0.2mm，是典型的薄壁弱剛性大尺寸殼體零件。具有加工過程中材料易粘刀、結構易變形，密封面粗糙度極易超差等特點。詳見表1鋁合金5A06材料性能。

本文針對該類零件結構特點，以薄壁弱剛性大尺寸高精度鋁合金門框零件為研究對象，分析產品加工的工藝性，針對該類產品加工工藝技術進行研究。

2 工藝難點分析

1.門框是一種薄壁弱剛性大尺寸殼體零件，其最大外徑尺寸為Φ2500mm。外表面為球冠面大底結構，面積較大，且具有較高的尺寸精度和形位精度，采用一體化加工技術，零件剛性差，在加工過程中易發生彈性變形，引起實際切削量小于理論切削量，在發生彈性變形劇烈的位置會出現凸起或者卷角的現象，影響門框的加工精度。如圖3所示，為立銑刀銑削加工薄壁零件的讓刀產生誤差的示意圖，按切削理論零件被切除的部分應該是ABCD，但是在實際加工過程中，由于刀具和工件的相互擠壓變形導致如上圖所示的A'C'D'的滑移現象，所以實際的被切除部分為A'BC'D，而DC'CD'未被切除，從而產生加工誤差。因此在加工過程中，需要采用高速加工控制變形，提高加工效率。

2.門框有兩處密封端面，一處為中間方形的密封端面，尺寸為500mmx1600mmx200mm。另一處為最外圈圓形的密封端面，最大外徑尺寸為Φ2500mm。兩處密封端面的表面粗糙度Ra精度均要求0.8，密封端面尺寸較大且表面粗糙度要求高。門框密封端面處的粗糙度直接影響著其耐腐蝕性、安裝密封性、磨損狀態以及疲勞強度等。在實際加工中，選擇合理的加工刀具和參數有利于提高零件的表面質量。

3.半精/精加工階段，由于門框結構的薄壁弱剛性，裝夾力、夾緊位置及作用順序等影響引起工件變形。過大的裝夾力會使工件產生較大局部變形，當切削完成撤除裝夾工件回彈后導致裝夾誤差：過小的裝夾力則使工件不能穩固裝夾，在加工過程中工件容易出現滑移、振動甚至脫落的現象，嚴重情況下甚至導致工件報廢和刀具損壞。因此需要根據結構特點設計專用的工裝減小裝夾方式對零件變形的影響。

4.門框內圈圓角位置處減輕槽星放射狀，減輕槽寬度最大處60mm，減輕槽寬度最小處50mm，槽深40mm，越靠近門框中心加強筋之間的間距越窄，加工空間受限（圖4）。因此需要設計合理的進刀方式和走刀策略，提高加工質量。

5.門框外表面端面為密封面，表面粗糙度Ra1.6，密封面存在兩圈密封槽，密封槽為空間曲面構型，倒內圓角R0.3mm，其剖視圖如圖5所示，密封槽內底面粗糙度同樣要求Ra1.6。標準刀具無法滿足該構型的銑削加工，且一般銑削方法難以達到產品表面質量要求，所以設計專用刀具、試驗合理的加工參數是必須攻克的難點。

3 門框的加工工藝分析研究

3.1 一體化工藝流程的設計

機械加工工藝流程的合理安排對于保證加工質量、提高加工效率、減小零件變形等有很大影響，根據薄壁大尺寸鋁合金門框零件結構的特點，制定具體的加工工藝流程如圖6所示。

為減小變形，采取了如下措施：優化加工進給量、車床底盤轉速或加工中心主軸頭轉速、加工速度等參數組合，采用小切深、低進給量、逐層去除，提高加工尺寸精度和表面質量：合理設置去應力時效的工序，在加工過程中逐步消減加工及結構內應力，確保后續加工的精準及最終的精度;設計高精度工裝平臺作為加工平臺，采用壓板定位裝夾異性臺階面，并輔以速干膠粘接方式對加工的零件進行側向固定，降低加工零件的固有頻率，提高加工的尺寸精準性和表面質量：設置若干過程中形位尺寸特征點檢測（如端框外圓、對接平面、外型面等），使用激光跟蹤儀對其進行實時監測，及時獲取變形情況并修正加工參數。

3.2 采用高速加工控制變形

門框外：表面為球冠面大底結構，面積較大，結構復雜，鑒于鋁合金的薄壁、弱鋼性特點，采用高速加工可有效降低加工過程中的切削力，提高了零件表面質量。為增加刀具系統的剛性，門框的粗加工使用直徑為15mm的整體合金端銑刀，采用分層加工的方式。精加工使用直徑為15mm的整體合金球頭銑刀，刀具強度較好。粗加工轉速為13000r/min，進給4000mm/min，切削線速度為900m/min，大大增加了加工效率。精加工轉速13000r/min，進給200mm/min，步距為0.30mm，獲得了較高的表面質量。

3.3 優化走刀軌跡及加工參數

鑒于門框的外表面為球冠面大底結構，且面積較大，表面粗糙度要求高等特點。為提高加工效率，需設計比較不同走刀軌跡在相同切削參數下的加工質量和效率，得到最優走刀軌跡。周向走刀相比于徑向走刀，刀軌簡潔，切削時間短，整體表面質量均勻而光滑。周向走刀又可以分為等距環切和等距螺旋兩種，如圖7、圖8所示。

通過加工仿真分析模擬，使用兩種相同切削參數的試驗比較結果如上文表2所示，發現等距螺旋走刀方式加工效率提高16%，加工的表面質量也更好。

3.4 裝夾方案及專用工裝設計

門框在切削力和緊固力的作用下，易發生變形，為保證門框的形位公差，加工門框內表面密封面時必須保證無裝夾應力，并且由于精密加工工件的精度要求高，需要“一刀下”來保證各加工精度。針對該零件特點，設計了下凹式支撐工裝，零件在進行銑削加工時采用如下裝夾方式：門框放置于工裝內，用銷釘將門框固定在工裝頂盤內，為防止零件軸向轉動，中心孔處用壓板定位裝夾。并輔以速干膠粘接方式對加工的零件進行側向固定，降低加工零件的固有頻率，采用高速銑削的加工方式有效的保證激振頻率遠離零件的固有頻率，提高加工的尺寸精準性和表面質量，門框球冠內部填滿切削液以提高零件的工藝剛性。

此方法利用切削液填充輔助裝夾手段，即將切削液填充到工裝與門框形成的區域內來提高整體零件的固有頻率，進而提高薄壁零件的整體剛度，達到減少刀具變形與顫振的目的。實現門框壁厚公差優于0.15，門框端面平面度優于0.1，垂直度優于0.2 的指標，解決其因剛性差而產生的影響工件表面質量的問題，從而保證薄壁件的加工質量要求。（如圖9所示）

3.5 放射狀減輕槽的加工

門框方形內腔側面有一圈放射狀減輕槽（如圖10所示），進刀空間受限，因此加工放射狀減輕槽時采用斜線進刀方式，刀具切入角與工件平面的夾角取為15°，夾角角度越小在進刀時的切削力就越小。同時采用由外到內的環形走刀和回路切削，可避免因側壁剛度的急劇減小導致的“讓刀”現象。

3.6 T型密封槽加工及刀具選用

加工T型密封槽時選用自制T型銑刀（如圖11）。自制T型銑刀區別于傳統T型刀刃口鋒利，切削輕快。底齒的切削刃能夠很好的保證密封槽底面到密封面上表面的距離尺寸公差0.1及表面粗糙度Ra1.6要求。

T型槽的加工過程如下：立銑刀開槽清側壁，底部留0.05mm余量待加工;T型刀先去除中部大量，頂部、側壁、底部均留0.05mm余量;選擇合理的刀具長度補償和半徑補償值，T型刀一次走刀去除所有余量，保證零件尺寸公差。

此外，由于大型鋁合金結構件對溫度變化非常敏感。為了保證密封槽平面度0.1μm，在機床上同時裝夾并加工T型槽精加工試驗件，實時測量并選取準確的刀具長度和半徑補償值來保證加工精度。

3.7 在線測量與離線測量的誤差補償

精銑過程中采用非接觸式超聲波測厚儀對零件壁厚進行無損檢測。實時測量零件壁厚的加工余量，嚴格控制壁厚在3±0.15mm。但因量具、測量方法及加工環境溫度與最終檢測的不一致，會導致測量誤差，為消除在線測量與精密測量間的誤差，操作時要求加工者在精加工與精密檢測之間要反復進行，即每次加工0.1～0.2的余量時進行精測，通過這種方式掌握由于環境、人員等導致的測量誤差，并且在最后一次精密加工時進行相應補償。

4 結論

本文分析以門框為代表的薄壁弱剛性、大尺寸、高精度等特點，對該類零件的加工難點進行分析，為實現小變形進行工藝方案設計。

（1）為消除加工過程造成的應力變形采用高速加工的方法，保證零件尺寸精度0.5的技術要求，最終實現尺寸精度0.3。

（2）針對門框在切削力和緊固力的作用下易發生變形難點，設計了下凹式工裝，并通過內部填滿切削液提高零件加工剛度，實現壁厚偏差優于0.15。

（3）通過優化走刀軌跡，采用周向等距螺旋走刀方式，零件加工效率提高16%。

（4）通過特制專用銑刀加工T型密封槽，實現密封槽底面到密封面上表面距離偏差0.08及表面粗糙度優于Ra1.6。

（5）采用在線和離線雙結合測試方法，實現對零件加工裝夾變形誤差補償，保證零件的尺寸和形位精度。

通過實踐證明，薄壁弱剛性、大尺寸、高精度鋁合金門框采用的工藝方法、工藝路線合理可行，積累了薄壁弱剛性高精度鋁合金門框零件的加工工藝方法，為后續類似零件的加工提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1] 王立濤.關于航空框類結構件銑削加工殘余應力和變形機理的研究.博士學位論文[D].杭州：浙江大學，2003.

[2] 王冠.鋁合金薄壁梁結構輕量化設計及其變形行為的研究，博士學位論文[D].長沙：湖南大學，2013.

[3] 黃燕杰，陳子光，鄭子清.Al-Cu-Mg合金在保持高強度的同時提高塑性的常規熱機械工藝[J].材料科學.2011 （64）：382-385.

[4] 廖凱，張蕭笛等.鋁合金薄壁框架件加工變形的應力分布研究[J].2016，24：46-50.

（湖南鐵路科技職業技術學院 鐵道機車學院，湖南 株洲 412006）