鋁合金材質(zhì)的支架類零件加工工藝分析與優(yōu)化

王長(zhǎng)閣+++馬侖+++唐春麗

摘 要：航空工業(yè)是一個(gè)國(guó)家工業(yè)實(shí)力的重要體現(xiàn)。在航空設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，支架類零件是其中應(yīng)用較多且加工難度較高的一類零件。尤其是在航空領(lǐng)域，鋁合金是使用最多也是最為重要的一種材料，其相對(duì)鋼鐵而言盡管強(qiáng)度有所不足但是重量要比鋼鐵輕的多。鋁合金材質(zhì)的支架類零件在航空領(lǐng)域應(yīng)用較多，但是由于支架類零件的壁厚較薄從而導(dǎo)致鋁合金材質(zhì)的支架類零件容易在加工的過(guò)程中產(chǎn)生變形，從而影響零部件的加工質(zhì)量。文章在分析某鋁合金材質(zhì)支架類零件工藝性特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)其加工工藝進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：鋁合金材質(zhì)；支架類零件；加工工藝

前言

復(fù)雜零部件加工是機(jī)械加工中的一項(xiàng)難題。以鋁合金材質(zhì)的復(fù)雜型腔薄壁支架類零件為例，其空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜加之其屬于薄壁類零件，在加工的過(guò)程中極易變形。為確保此類鋁合金材質(zhì)的支架類零件的加工質(zhì)量，在分析鋁合金材質(zhì)的支架類零件特點(diǎn)以及變形原因的基礎(chǔ)上通過(guò)合理的加工工藝最大限度的控制其加工過(guò)程中的變形量，確保零部件的加工質(zhì)量。

1 支架類零部件的特點(diǎn)

支架類零部件是在機(jī)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(yīng)力的作用，因此在支架類零件的加工過(guò)程中對(duì)于精度的要求較高。但是其復(fù)雜的型腔結(jié)構(gòu)及較高的形位公差要求對(duì)支架類零件的加工帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。

2 鋁合金材質(zhì)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(dú)特的結(jié)構(gòu)使得其在加工的過(guò)程中容易產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致支架類零件在加工完成后個(gè)別工件出現(xiàn)尺寸超差的問(wèn)題，尤其是鋁合金材質(zhì)的支架類零件在加工的過(guò)程中其所產(chǎn)生的變形情況更為明顯。造成鋁合金材質(zhì)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(shí)所受到的裝夾力和高速銑削加工時(shí)機(jī)床對(duì)鋁合金材質(zhì)的支架類零件的沖擊力都會(huì)使鋁合金材質(zhì)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(nèi)但是卻破壞了鋁合金材質(zhì)的支架類零件內(nèi)部的應(yīng)力平衡，當(dāng)這些外加力超出了鋁合金材質(zhì)的支架類零件所能承受的彈性極限時(shí)將會(huì)使得鋁合金材質(zhì)的支架類零件產(chǎn)生加工形變。為確保鋁合金材質(zhì)的支架類零件的加工質(zhì)量最大限度的降低因加工中所產(chǎn)生的應(yīng)力集中而導(dǎo)致的加工變形缺陷，應(yīng)當(dāng)通過(guò)對(duì)鋁合金材質(zhì)的支架類零件加工中的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析并通過(guò)采取合理的加工工藝來(lái)消除鋁合金材質(zhì)的支架類零件加工中的殘余應(yīng)力以避免變形的產(chǎn)生。

3 鋁合金材質(zhì)的支架類零件的加工工藝分析

鋁合金材質(zhì)的支架類零件由于型腔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性因此多采用數(shù)控加工中心來(lái)完成對(duì)于支架類零件的加工。以某型號(hào)鋁合金材質(zhì)的支架類零件為例，材料采用的是2A12T4，其形狀復(fù)雜從而為零部件的加工帶來(lái)了極大的困難與挑戰(zhàn)。在此鋁合金材質(zhì)的支架類零件的加工中主要面臨著3個(gè)方面的難點(diǎn)：（1）此零件的加工精度要求較高，零件的尺寸公差較小，且對(duì)加工完成后的鋁合金材質(zhì)的支架類零件的表面粗糙度部分區(qū)域要求達(dá)到Ra1.6？滋m剩余的區(qū)域粗糙度則要求達(dá)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(guò)程中容易受到應(yīng)力的作用而導(dǎo)致變形。（2）此類小型號(hào)的支架類零件其表面加工輪廓的深度最大可達(dá)32mm，但是此處的轉(zhuǎn)接圓弧2為R2mm，深度和圓弧半徑的比值達(dá)到了0.06且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.2的比值要求。針對(duì)上述問(wèn)題在支架類零件加工工藝的編制中應(yīng)當(dāng)通過(guò)合理的方式予以解決。在鋁合金材質(zhì)支架類零件的加工中應(yīng)當(dāng)按照：粗車-粗銑-精車外圓-線切割-精銑等的順序進(jìn)行。在這一加工過(guò)程中，銑削加工時(shí)其中的重點(diǎn)也是難點(diǎn)加工環(huán)節(jié)，此零件選用德瑪吉公司的160P機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工，加工零點(diǎn)選在零件上表面的圓心，使用UGCAM完成對(duì)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(guò)程中下面4個(gè)型腔仍然保持有良好的剛性，加工中所產(chǎn)生的沖擊對(duì)于加工精度影響較低。完成了上表面的加工后對(duì)工件的下部的型腔和分布在周邊加強(qiáng)筋上的耳進(jìn)行精加工。為避免加工中沖擊力過(guò)大而導(dǎo)致的加工變形問(wèn)題在加工時(shí)選用小直徑銑刀進(jìn)行慢進(jìn)給小切削量的加工，在加工時(shí)合理安排粗、精加工工序，并選用合理的裝夾方法來(lái)控制加工變形量。使用留夾頭裝夾、粗銑釋放變形、安排時(shí)效等的工藝來(lái)消除鋁合金材質(zhì)的支架類零件加工中所產(chǎn)生的變形。針對(duì)鋁合金材質(zhì)的支架類零件加工中所存在的第二個(gè)難點(diǎn)，在加工時(shí)通過(guò)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(fā)現(xiàn)工件表面留有明顯的振刀紋，因此，在鋁合金材質(zhì)的支架類零件的加工中需要采用高速銑加工技術(shù)。

相較于以往的加工技術(shù)，高速銑通過(guò)主軸高轉(zhuǎn)速（幾千或是上萬(wàn)轉(zhuǎn)）、高進(jìn)給、小切削量的加工方式完成對(duì)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(shí)間、提高工件表面的加工質(zhì)量，通過(guò)相關(guān)研究表明，高速銑加工方式能夠在薄壁類零件中發(fā)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(zhuǎn)速高達(dá)16000r/min，在對(duì)鋁合金材質(zhì)的支架類零件進(jìn)行加工時(shí)選用10000r/min的加工轉(zhuǎn)速，進(jìn)給深度選擇每刀0.2mm，進(jìn)給速度為4000mm/min，進(jìn)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(zhuǎn)速的加工零件進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，采用高速銑削加工后提高了工件表面的粗糙度，一般轉(zhuǎn)速加工中所存在的振刀問(wèn)題消失不見(jiàn)，加工質(zhì)量和加工效率得到了極大的提升。在鋁合金材質(zhì)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(wú)干涉無(wú)碰撞這一因素進(jìn)行考慮外，還應(yīng)當(dāng)在加工編程中注意一下幾點(diǎn)：（1）刀軌在加工中應(yīng)當(dāng)盡量保持平滑，避免運(yùn)行軌跡突然變化，以免影響鋁合金材質(zhì)的支架類零件表面的加工質(zhì)量。（2）在鋁合金材質(zhì)的支架類零件加工編程中應(yīng)當(dāng)最大限度的降低甚至與消除加工殘區(qū)。（3）在編程中盡量避免多余空刀。（4）在鋁合金材質(zhì)的支架類零件高速銑削加工工藝的編制上應(yīng)當(dāng)盡量保持穩(wěn)定的切削參數(shù)，避免參數(shù)突然變化對(duì)鋁合金材質(zhì)的支架類零件加工質(zhì)量的影響。（5）在刀具切入工件時(shí)應(yīng)當(dāng)緩慢的切入避免高速切入從而對(duì)鋁合金材質(zhì)的支架類零件造成沖擊。在進(jìn)刀方式的選擇上，垂直進(jìn)刀能夠最大限度的縮短進(jìn)刀路徑但是不足之處則是刀具的垂直進(jìn)入會(huì)增大刀具在軸向的負(fù)載，這一負(fù)載的變化容易導(dǎo)致刀具發(fā)生偏斜從而影響刀具的加工質(zhì)量和使用壽命，垂直進(jìn)刀方式應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎選用。切向進(jìn)刀在高速加工時(shí)能夠取得良好的加工效果常用于工件外進(jìn)刀，斜向進(jìn)刀在加工時(shí)能夠使得刀具漸進(jìn)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(jìn)刀。但是上述幾種進(jìn)刀方式在銑削時(shí)由于是單一方面施力加之刀軌不連續(xù)容易導(dǎo)致主軸振動(dòng)從而影響加工質(zhì)量，因此，在高速加工可以選擇螺旋進(jìn)刀方式來(lái)做好對(duì)于加工質(zhì)量的優(yōu)化。在鋁合金材質(zhì)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(yīng)高速走刀且能夠有效的降低主軸的振動(dòng)和偏斜，從而極大的提高了工件在加工中的平穩(wěn)性，有助于改善工件的加工質(zhì)量。

上述某型鋁合金材質(zhì)的支架類零件由于加工難度高，在加工的過(guò)程中通過(guò)不斷優(yōu)化改進(jìn)加工工藝現(xiàn)已完成了加工生產(chǎn)但是由于加工工序復(fù)雜因此加工周期和成本都較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

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