長梁類零件加工中變形的控制

安衛(wèi)星

（中航工業(yè)沈飛數(shù)控加工廠，遼寧 沈陽 110034）

飛機上的鋁合金大型零件，包括框、梁、壁板等結(jié)構(gòu)件。如：第1縱墻根部、1號油箱上壁板、1號油箱下壁板等。其中，第1縱墻根部外形為機翼理論外形；零件長度長，角度多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易變形，嚴(yán)重制約了零件生產(chǎn)的進度。下面以第1縱墻根部為例，通過對此零件的加工工藝方案分析，可以為墻類及長梁類零件的加工提供參考。

1 結(jié)構(gòu)分析

第1縱墻根部，是飛機的外翼部分，是外翼的重要承力結(jié)構(gòu)件，第1縱墻由根部、中段、外段共3部分組成，根部從翼根對接面至第10肋。中段與第1縱墻根部對接，是較長的墻類零件。上下翼面緣條及內(nèi)部筋條全部帶有角度，緣條、筋條、腹板較?。ㄗ畋√? mm），剖面為槽形沿肋軸線加筋形式。材料牌號：7B04 T6鋁合金，外廓尺寸：50 mm×265 mm×3 500mm。零件結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 零件結(jié)構(gòu)圖

2 工藝分析

由于零件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件在加工過程中易翹曲、側(cè)彎，變形大，加工周期較長。

2.1 毛料狀態(tài)

板料尺寸1 400 mm×3 500 mm，共加工6件，每兩個零件之間距離應(yīng)盡量小于50 mm，以便保證毛料夠加工。

粗加工之前，銑完基準(zhǔn)面之后，將外形樣板鋪在零件上表面劃出原點，x向偏移1 495 mm，y向偏移214 mm即為第二件零件原點。在真空平臺上完成6件零件的粗加工，然后進行單件半精、精加工。

2.2 加工階段的劃分、輔助工序的安排

（1）由于零件細(xì)長易變形，腹板、緣條、筋條較薄，所以分3個加工階段：粗加工、半精加工、精加工。

（2）每個階段之后，安排校正工序，這樣有利于加工過程中應(yīng)力的釋放。

3 工藝方案

3.1 原方案

（1）數(shù)控加工路線。為銑基準(zhǔn)面→鉆鉸基準(zhǔn)孔→粗銑外形→粗銑內(nèi)形→校正→半精銑外形→銑緣條、筋條高→銑孔→校正→銑筋條厚→精銑外形→校正→檢驗；

（2）加工余量分布。為粗加工留3 mm，半精加工留0.5 mm。另外，腹板在半精加工階段加工到量。

3.2 優(yōu)化后的方案

（1）加工路線。為銑基準(zhǔn)面→粗銑外形→粗銑內(nèi)形→銑緣條、筋條高→鉆鉸基準(zhǔn)孔→校正→半精銑外形→半精銑內(nèi)形→鉆鉸基準(zhǔn)孔→校正→測量外形→銑筋條厚→測量筋條位置→精銑外形→校正→測量零件外形→精銑內(nèi)形→銑孔→半成品檢查；

（2）加工余量分布。加工余量與原加工方案相同；

（3）工序的安排。為精加工階段安排工序時，先精加工外形保證外形，測量結(jié)果合格后再精加工內(nèi)形，根據(jù)壁厚來保證內(nèi)形。

3.3 優(yōu)化方案的優(yōu)點

（1）工藝方案不同。原方案只是把外形精銑到位，內(nèi)形僅進行了粗加工，內(nèi)形的精加工讓常規(guī)工段來銑。而目前常規(guī)工段任務(wù)繁忙，且加工周期較長，為此決定在數(shù)控加工階段將內(nèi)形加工到位，常規(guī)只進行補加工，大大減少了零件的加工周期。數(shù)控加工走刀軌跡精確，加工后更容易使零件符合圖紙及樣板。

（2）銑緣條、筋條高工序前移。之所以把銑緣條、筋條高工序放在粗加工階段，是因為粗加工采用真空平臺裝夾，半精加工及精加工則采用自制銑夾來定位裝夾，在粗加工階段加工此工序便于裝夾，既大大節(jié)省了時間，又提高了機床的利用率。另外在粗加工狀態(tài)完成，此時緣條，筋條厚度較大，不易于產(chǎn)生振動，利于加工。

（3）裝夾定位方式不同。原方案采用①、②、③三個工藝孔定位，考慮到零件比較長，尾端如果沒有定位銷容易發(fā)生尾擺，故在小端頭增加一個工藝孔④，將零件的變形控制到最小。

（4）銑孔工序后移。因為所有數(shù)控工序都要用到工藝孔④，所以孔④在數(shù)控工序結(jié)束前不能被銑成大孔，銑孔工序就只能放在最后了。

（5）增加測量工序。加工過程中，零件會側(cè)彎、翹曲，而且側(cè)彎校正不了，再加上機床誤差，所以要在半精加工外形后增加測量工序。然后才好確定精加工外形時需切除的加工余量，才能保證零件不會超差。因為筋條是斜的，不好檢驗，故增加上測量機測量筋條位置工序。

4 編程方法

值得一提的只有兩點：

（1）由于銑一側(cè)外形時壓板壓緊另一側(cè)，銑另一側(cè)時再把壓板倒換到這一側(cè)。根據(jù)這種壓緊方式，在編制精加工外形程序時，要分成銑上翼面、下翼面兩個程序，編制半精加工外形程序時也是如此。

（2）精加工內(nèi)形程序也分成銑上翼面、下翼面兩個程序編制，目的是解決零件變形造成兩側(cè)的余量不均勻，加工時可以通過調(diào)整原點保證緣條的厚度。

5 裝夾方案

單個零件采用自制銑夾來進行定位裝夾，用4個定位銷定位。自制銑夾平面圖如圖2。

圖2 自制銑夾平面圖

5.1 自制銑夾

粗加工采用真空平臺吸附裝夾，同時加工6件。半精加、工精加工采用自制銑夾，如圖3。

（1）找正。以孔①中心為原點，孔①、②中心連線為x軸拉直找正。

（2）定位。4個基準(zhǔn)孔皆為Ф12H9，所以用4個Ф12 mm的定位銷來定位。其中孔①用圓柱銷，其余3個孔均用菱形銷。

（3）壓緊。用10～16個壓板均布壓緊銑夾。

5.2 零件的壓緊

壓緊零件時要注意以下幾點：

（1）采用壓板均布壓緊，由于零件較長，半精加工、精加工時應(yīng)多壓一些壓板，且每個壓板壓力要盡可能均勻。

（2）半精加工、精加工外形時，方法是加工一側(cè)時壓緊另一側(cè)，加工另一側(cè)時把壓板倒到這側(cè)來，倒壓板時注意兩側(cè)壓力要近似相等，以減少零件變形。

（3）在精加工時，將壓板放在有筋條的上方，而且壓力不要太大，因緣條較薄且?guī)в薪嵌?，直接壓在緣條上容易引起變形。

6 程序的優(yōu)化固化

首先做程序固化，減少人工干預(yù)，在程序固化的基礎(chǔ)上，進一步程序優(yōu)化，使切削參數(shù)進一步合理化，充分發(fā)揮數(shù)控機床的優(yōu)勢，提高數(shù)控機床的效率。在優(yōu)化程序時，注意切削參數(shù)選擇原則：

Dc為銑刀直徑，mm；

Ap為軸向切深，mm；

Ae為徑向切深，mm；

Vc為切削速度，m／min；

Q為金屬去除率，mm3/min；

Zn為總齒數(shù)；

Fz為單齒進給量，mm；

n為主軸轉(zhuǎn)數(shù)，r/min

Vf為工作進給，mm/min。

由

Vc=(π×Dc×n)/1 000（根據(jù)材料的切削特性確定）

導(dǎo)出

n=(Vc×1 000)/(π×Dc)（主軸轉(zhuǎn)數(shù)）；

Vf=Fz×n×Zn（進給速度）。

以上諸多參數(shù)中，最主要的是Vc、Dc、Fz。切削速度Vc的高低，決定了切削效率的高低。它是根據(jù)機床類型、零件材料和刀具材料等因素確定的。Vc確定之后，就可以導(dǎo)出主軸轉(zhuǎn)數(shù)n。單齒進給量是確定進給速度的重要參數(shù)，其取決于切削狀態(tài)和被加工材料。確定了單齒進給量之后，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)數(shù)和刀具的齒數(shù)，就可以計算出進給速度Vf了。

Ap、Ae的確定。遵循Ap×Ae=R2（刀具半徑的平方）的原則，可以獲得最大的金屬去除率。

粗加工階段，應(yīng)該以小的軸向切深（Ap），大的徑向切深（Ae）為原則，以較高的進給速度獲得最大的金屬去除率；精加工階段，是以保證加工精度為目的，所以應(yīng)該選擇合理的徑向切深（Ae），適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)數(shù)和進給速度。

6.1 參數(shù)固化

主要從以下幾方面入手（以63 m機床為例）：

（1）主軸轉(zhuǎn)速。大直徑刀具用較小轉(zhuǎn)速，例如Φ40 mm、Φ 30 mm的刀具，n=2 500 r/min；小直徑刀具用較大轉(zhuǎn)速，例如Φ16 mm的刀具，n=3 000 r/min。

（2）進給速度。粗加工外形采用 f=800～1 000 mm/min，粗加工內(nèi)形采用f=600～800 mm/min；精加工外形采用f=1 000～1 500 mm/min，精加工內(nèi)形采用f=800 mm/min。

6.2 程序優(yōu)化

（1）改變定位方式。為了消除粗加工后零件產(chǎn)生的側(cè)彎、兩定位孔之間的部分向外鼓造成的余量不均勻。在粗加工結(jié)束時先鉆鉸出①、③兩孔，就用這兩孔來定位進行半精加工。半精加工結(jié)束后，大部分變形被消除時，再鉆鉸②、④孔，之后用4孔定位進行精加工。

（2）改變加工余量分布。半精加工余量改為1 mm，原來的0.5 mm太少。因為零件材料是國產(chǎn)的，性能比較差，加工時變形較大，余量小會導(dǎo)致精加工時加工不到，也就是零件在半精加工后已經(jīng)比理論尺寸小了。

（3）粗加工程序分層。由于粗加工零件內(nèi)外形時，切削量及切削深度（54 mm加工至6～8 mm）都比較大，故將粗加工程序分為3層進行加工，每層加工15 mm。

（4）平衡加工時產(chǎn)生的應(yīng)力。粗銑內(nèi)形時切削量及切削深度較大，采用從小端頭切削1/3，然后再從大端頭到小端頭切除剩余余量。

（5）優(yōu)化進刀方式。粗加工時采用“之”字形走刀，根據(jù)下刀深度15 mm，分3層按“之”字形往復(fù)切入。這種方式要注意銑削長度和每次切深的比例，銑削斜度應(yīng)小于30°。進給速度可取原速度的70%。所以銑削斜度取10°～15°，進給速度取加工速度的60%。

（6）設(shè)置轉(zhuǎn)角減速。通常在內(nèi)形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接圓角小于R10 mm時，編程中習(xí)慣以與圓角直徑相等的刀具直接靠到角點，形成R。這種情況下，由于轉(zhuǎn)角處由前一把刀形成的R較大，使得當(dāng)前刀具的切削在轉(zhuǎn)角處余量驟然大增，不僅容易斷刀，還會使轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)凹刀或殘留。在優(yōu)化過程中，解決方法是在接近轉(zhuǎn)角處，將程序分成兩段，靠近轉(zhuǎn)角處的一段，進行減速處理，減速率取原速度的50%～70%。

7 結(jié)束語

零件變形在機加車間尤其十分普遍，產(chǎn)生變形的因素也很多，應(yīng)具體問題具體分析，找出一套可行的加工方案，類似這種零件變形，解決的方式或許還有更合理的方法。隨著工藝方案的逐步優(yōu)化，零件的變形問題會得到控制，同時零件的加工周期將會逐步縮小。

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