大型鋁合金航空結(jié)構(gòu)件加工

湖北航宇嘉泰飛機設(shè)備有限公司工藝室主任 張兆新

圖1所示為航空結(jié)構(gòu)件，原材料7050—T7451，采購進口鋁板作為毛坯。主要特點：①尺寸較大，最小包容體尺寸為952.98 mm×589.28 mm×100.33 mm。②結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，包含大量的深腔、曲面、薄壁、側(cè)孔、斜孔及局部倒扣等結(jié)構(gòu)，圖樣尺寸400余個。③零件精度要求較高，襯套安裝孔、軸承安裝孔的孔徑公差僅0.01 mm；各孔位置精度要求0.1 mm；其中基準(zhǔn)面在623 mm×423 mm的范圍內(nèi)要求平面度達到0.2 mm。④零件通用機械加工表面粗糙度值Ra=3.2 μm，襯套和軸承安裝孔表面粗糙度Ra=0.8 μm。

攻關(guān)重點：①合理利用邊角料，降低材料費用。②合理安排工藝方案。產(chǎn)品屬典型大尺寸、薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)航空零件，需合理、詳細規(guī)劃工藝路線，合理安排各工序加工內(nèi)容、加工設(shè)備和裝夾方法。③數(shù)控程序編制。以UG進行數(shù)控程序編制。編程工作分粗編制和精編制兩步。粗編制階段按工藝方案進行大概編制，并模擬加工，進一步論證工藝路線、裝夾方式（工裝夾具方案）和加工內(nèi)容劃分的合理性；精編制階段完善每步加工內(nèi)容，調(diào)整數(shù)控程序各要素。

工藝方案

（1）合理利用邊角料：該零件毛坯尺寸990 m m×609 mm×110 mm，材料去除率97%，單件毛坯價格約16000元。必須合理利用邊角料，提高材料利用率，降低成本。根據(jù)單價、零件數(shù)量及各零件毛坯尺寸，安排相同材料零件套料方法示意如圖2所示。套料后，每件毛坯可用于其他零件材料費用約5672元。

圖1 零件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 套料示意圖

（2）加工效率：采用排孔落料后，材料去除率仍然達93.6%，去除量達3035000 mm3。需去除材料主要集中在圖3所示的方框內(nèi)，影響粗加工效率。

圖4中區(qū)域是制約精加工效率的瓶頸，尤其是深腔部分。這些區(qū)域均為斜面，需要以球頭刀或牛鼻刀以0.15～0.30 mm的步距加工；深腔底部需要使用長度80 mm以上、φ12 mm以下的刀具加工，加工效率較低。

圖3 需去除材料集中區(qū)域

圖4 精加工耗時較多的區(qū)域

（3）該零件的圖樣要求均在通用機械加工可達到的精度等級內(nèi)，保證加工質(zhì)量的重點在于控制零件變形。圖5橢圓區(qū)域是主要變形區(qū)域。

（4）工藝方法以數(shù)控銑削為主，鉗工為輔。①圖6所示的孔，因數(shù)控設(shè)備無法完成，由鉗工制孔。②圖7所示區(qū)域以及一些曲面法向孔、側(cè)面孔等無法在三坐標(biāo)加工中心中制出，由五坐標(biāo)加工中心完成。

（5）綜合套料、效率和質(zhì)量確定加工路線：采用正反兩面各一次粗加工、型腔側(cè)一次半精加工、型腔側(cè)一次精加工完成三坐標(biāo)加工中心內(nèi)容，使材料內(nèi)應(yīng)力逐步釋放，減小最終變形。

采用圖8所示的定位夾緊方式：圓柱體是工藝臺，其中兩個工藝臺上制出定位孔，實現(xiàn)各步工序間統(tǒng)一的定位基準(zhǔn)；其他工藝臺上制螺紋孔，以螺栓聯(lián)接長方體所示標(biāo)準(zhǔn)塊，使用壓板壓緊標(biāo)準(zhǔn)塊實現(xiàn)零件夾緊。

裝夾方式優(yōu)點：①夾緊力作用于標(biāo)準(zhǔn)塊，避免零件直接承受夾緊力引起夾緊變形。②裝夾比較簡單、操作方便，6副壓板即可完成夾緊操作，降低操作強度、提高工作效率。③數(shù)控程序編制無需考慮夾具避讓及換壓，簡化編程工作。④無需換壓，降低非加工操作時間，提高機床利用率。⑤可根據(jù)零件變形情況修正工藝臺，使每步工序零件均處于自由變形狀態(tài)下，由多步工序逐步減小內(nèi)應(yīng)力等因素引起的變形。

設(shè)計最終精加工工裝如圖9所示，用于去除工藝臺。

數(shù)控程序編制

（1）以三軸加工中心制495個孔落料，實現(xiàn)邊角料有效利用，并提高加工效率。

（2）采用大直徑可轉(zhuǎn)刀位面銑刀進行粗加工，并優(yōu)化刀具軌跡，提高加工效率。

（3）以牛鼻刀代替球頭刀加工曲面，刀具剛性較好，徑向受力較小，充分利用機床沿主軸方向剛性較好的特點，得到更好的加工質(zhì)量和加工效率。

圖5 主要變形區(qū)域

圖6 需鉗工制造的孔

圖7 五軸加工中心加工區(qū)域

圖8 定位夾緊方法示意圖

圖9 最終精加工用工裝示意圖

（4）刀具從曲面外至少一個刀具半徑的地方就開始以加工步距走刀，使加工余量均勻。雖然有一定的刀軌浪費，但可提高進給速度，在加工效率基本無差異的前提下得到更好的加工質(zhì)量和刀具壽命。

（5）深腔底部曲面，先用清角刀按深度方向分層快速去除大部分余量；再用牛鼻刀以2 mm步距去除清角刀留在深腔底部曲面上的臺階型不均勻余量；最后用牛鼻刀以0.3 mm步距進行精加工?？梢缘玫捷^高的粗加工效率，保證精加工余量比較均勻，從而獲得較好的加工質(zhì)量和刀具壽命。

（6）所有刀軌都要求盡量平順連續(xù)，減少進出刀，保證切削的連續(xù)性和穩(wěn)定性，從而得到較好的加工質(zhì)量和刀具壽命，并提高加工效率。

（7）對曲面區(qū)域，以大直徑刀具進行曲面的精加工，轉(zhuǎn)接圓弧部位以合適的小直徑刀具進行清根處理，以提高加工效率和加工質(zhì)量。

（8）以沿部件進刀或螺旋方式加工孔、型腔，一次進出刀加工完畢，不僅減少非切削運動，提高加工效率，而且可以避免過多進出刀帶來的接刀問題，提高加工精度。

結(jié)語

該零件加工工序多，加工周期長，無論工藝技術(shù)還是生產(chǎn)組織都需要精密嚴謹。該零件已形成穩(wěn)定批量生產(chǎn)，工藝方法穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)組織嚴謹合理，對類似零件的生產(chǎn)具有一定借鑒意義。