航天鋁合金薄壁零件高效加工策略

上海航天精密機械研究所 蹇 悅 楊 葉 郭國強

目前，我國航天產(chǎn)品已經(jīng)逐漸步入高密度發(fā)射時期，各類航天產(chǎn)品的制造需求量逐年遞增，迫使航天制造企業(yè)產(chǎn)能必須大幅提升。

航天典型零件目前最常采用的是高強度鋁合金材料（例如2A12），屬于易切削塑性材料，強度和硬度較低，熔點低，導熱性好，抗拉強度低。高強度鋁合金雖具有良好的可切削性，但由于航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件具有形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料去除量大、薄壁易變形等特點，且對零件加工精度、質(zhì)量及加工效率等各方面具有更高的要求，因此，一直以來航天制造業(yè)也持續(xù)進行高強鋁合金的高效切削加工研究。高效加工是以高速加工技術(shù)和切削工藝優(yōu)化相結(jié)合的新工藝，是解決航天復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵技術(shù)。高效加工技術(shù)的特征是加工過程中的高材料去除率和短的單件加工時間，并通過切削參數(shù)優(yōu)化，保證加工精度和表面質(zhì)量。

高效加工方案

1 加工系統(tǒng)優(yōu)化

高速高效加工相比普通加工對整個加工系統(tǒng)具有更高的要求。在航天整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工過程中，要保證零件加工質(zhì)量和加工精度，提高加工過程的材料去除率，首先必須針對由機床-刀具-工件及其相互間接口（刀柄和夾具）組成的切削加工系統(tǒng)進行系統(tǒng)優(yōu)化，保證高速切削過程中整個系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

1.1 機床

高速切削加工對機床的要求主要包括以下方面：

（1）機床結(jié)構(gòu)要有優(yōu)良的靜、動態(tài)特性和熱態(tài)特性；

（2）主軸單元能夠提供高轉(zhuǎn)速、大功率、大扭矩；

（3）進給單元能夠提供大進給速度。

必要時，可通過對切削加工系統(tǒng)進行模態(tài)分析試驗，獲取銑削加工系統(tǒng)動態(tài)性能參數(shù)，為求解銑削加工動力學模型和預(yù)測加工穩(wěn)定性提供相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 刀柄

對于高速加工刀具與刀柄選用，首先應(yīng)考慮使用的安全性，否則會破壞機床主軸，甚至發(fā)生安全事故。高速切削加工對刀具和刀柄的選用要求主要包括以下方面。

（1）刀具的許用速度必須大于等于實際加工速度。

（2）高速加工刀具和刀柄必須滿足動平衡和徑向跳動的要求，一般應(yīng)達到G6.3或G2.5以上要求。

經(jīng)動平衡測試（見圖1），液壓刀柄和刀具、強力動平衡式刀柄和刀具能夠達到G2.5的動平衡精度要求，而彈簧夾頭式刀柄和刀具能達到G6.3的動平衡精度要求，但達不到G2.5的動平衡精度要求。

圖1 刀柄和刀具的動平衡檢測

在分別對強力動平衡式刀柄、彈簧夾頭刀柄、柄液壓式刀柄進行最大徑向位移跳動測量（見圖2）時發(fā)現(xiàn)，強力動平衡式刀柄具有最小徑向跳動（見圖3）。

從徑向位移跳動測量試驗中可以看出，在刀具轉(zhuǎn)速為20000r/min的條件下，選用了動平衡質(zhì)量精度達到G2.5等級的強力刀具與刀柄。經(jīng)過徑向位移跳動檢測，當機床主軸轉(zhuǎn)速達到20000r/min時，刀具的最大徑向位移跳動量為 10.95～12.05μm，滿足高速精密加工中刀具徑向跳動量要求。

圖2 徑向位移跳動測量現(xiàn)場圖

圖3 不同刀具、不同轉(zhuǎn)速下的最大徑向位移跳動量

（3）在高速加工中要求刀柄具有更高的夾持力。

圖4給出了HSK系列中常用的液壓刀柄、強力刀柄和熱縮刀柄能達到的最大扭矩對比，從圖中可以看出，若采用普通的彈簧夾頭ER32所能達到的最大扭矩僅為196N·m，采用液壓刀柄HYDRO32所能達到的最大扭矩為441N·m，采用熱縮刀柄所能達到的最大扭矩為784N·m，與強力刀柄MAXIN20所能達到的最大扭矩相同。

圖4 不同夾緊方式最大扭矩對比

綜上所述，強力動平衡刀柄具有高動平衡精度、小徑向跳動，適合用于高速高精加工。另外，采用熱縮刀柄亦能獲得較高的動平衡精度，較低的刀柄重量，以及較高的刀具夾持力。

1.3 裝夾系統(tǒng)

高效加工專用工裝不但要保證高速切削時有效夾緊定位，同時還應(yīng)考慮方便實現(xiàn)快速定位夾緊，其設(shè)計要點主要包括以下幾個方面。

（1）工裝與工件的定位接觸面積盡可能大，同時在工件上選擇盡可能大的平面(或曲面)作為定位面，并提高該定位面的加工精度要求，確保工件定位面與夾具基準面自然、緊密貼合，增大接觸剛度。

（2）對剛性較差的薄壁零件常采用過定位方式定位,特別是在剛性薄弱處要加支撐,以提高工件的工藝剛度。

（3）在保證可靠夾緊的前提下,采用盡可能小的、均布的夾緊力,適當增加夾緊點的數(shù)目和增大夾緊力的作用面積。在零件剛性好的方向施加夾緊力,并且作用于剛性好的表面上。

目前制造業(yè)普遍采用的裝夾夾具主要有機械式、液壓可調(diào)式、真空吸附式、氣壓式等。相較于傳統(tǒng)手動機械裝夾夾具，液壓、真空吸附和氣動夾具具有可實現(xiàn)自動化、裝夾效率高、夾緊力可控等特點，更適合高效加工。

真空吸附夾具夾緊力較?。ㄆ鋯挝粔毫Σ怀^一個大氣壓，即小于105Pa），但分布均勻，適用于夾緊任何具有較光滑表面的物體，特別是非金屬類不適合夾取的弱剛性大型薄殼工件的精車、磨削、拋光等小余量去除加工。但真空吸附夾具對與夾具接觸的工件表面粗糙度及輪廓尺寸要求較高。

液壓可調(diào)夾具，能實現(xiàn)夾緊原件姿態(tài)、狀態(tài)的實時可調(diào)可控，可保證刀具切削軌跡的連續(xù)性；此外，還可以改變或更換夾具的部分組件來改變夾具結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同零件的加工裝夾要求，具有更廣泛的適用性。

氣壓夾具能夠?qū)崿F(xiàn)液壓夾具功能，并達到足夠大的壓緊力，與液壓夾具不同的是，氣壓夾具采用空氣壓力作為動力源。

2 加工工藝改進

粗加工的主要目的是去除材料，為精加工留合適的余量，因此粗加工一般不需要考慮工件的尺寸精度、表面質(zhì)量以及變形問題，只要機床的功率允許，可以從多方面提高生產(chǎn)效率。

零件的精加工與粗加工有一定區(qū)別，在精加工中需要充分考慮裝夾、走刀、工藝參數(shù)對零件內(nèi)部應(yīng)力的影響以及切削時切削力、切削熱對零件結(jié)構(gòu)的影響，控制變形，避免由于效率提升引起變形，造成零件精度及表面質(zhì)量破壞。

2.1 切削刀具

選擇更加合理的刀具可以直接提高生產(chǎn)效率。鋁合金材料的切削加工對刀具材料要求不高，一般采用硬質(zhì)合金銑刀即可，涂層可使用無涂層或金剛石涂層。在粗加工中由于不必考慮精度及質(zhì)量問題，可以最大限度高效切除金屬材料，因此可以選擇大直徑刀具，減少走刀次數(shù)，縮短走刀時間。另外，在粗加工中盡量選擇密齒刀具替代疏齒刀具，可以增加每轉(zhuǎn)進給量，在相同的轉(zhuǎn)速下切削速度可以得到增加。在精加工中，除了考慮材料高效去除的問題，還應(yīng)充分考慮薄壁構(gòu)件在切削中受力變形控制問題。航天鋁合金薄壁件精加工宜選用K系列硬質(zhì)合金刀具（相當于我國原鎢鈷類，主要成分為WC+Co，代號為YG）。刀具前角不能太小，否則增大了切削變形和摩擦力，前刀面磨損加大，降低刀具使用壽命。切削試驗表明：在高速銑削AlCuMgPb時前角每減少1°，則切削力增加1%。為此一般推薦使用γ0為12°左右。刀具后角的選取會影響刀具剛度，為了減少刀具和工件之間的摩擦，后角一定要選得大一些，必要時可采用雙倒棱后角，在增大后角的同時保證刀具剛度。刃傾角影響了切屑流出的方向和各切削分力的大小，在鋁合金切削時宜選用較大的刃傾角。在高速銑削鋁合金時，一般推薦使用λs為 20°～25°。此外，刀尖圓弧半徑的選擇應(yīng)適當，刀齒不能太密，便于切屑排出，有利于進給量進一步提高，防止冷作硬化層，延長刀具使用壽命[1]。

2.2 走刀軌跡

提速增效中一個較為有效的方法就是優(yōu)化走刀軌跡，在高速切削時要保證刀位路徑的方向性,即刀具軌跡盡可能簡化,少轉(zhuǎn)折點,路徑盡量平滑,減少急速轉(zhuǎn)向；應(yīng)減少空走刀時間,盡可能增加切削時間在整個工件中的比例；應(yīng)盡量采用回路切削,通過不中斷切削過程和刀具路徑,減少刀具的切入和切出次數(shù)，獲得穩(wěn)定、高效、高精度的切削過程。

在航天整體結(jié)構(gòu)件的大型復(fù)雜曲面高速切削加工中,曲面曲率變化大時,應(yīng)以最大曲率半徑方向作為最優(yōu)走刀方向,如圖5所示；曲面曲率變化小時,曲率半徑對走刀方向的影響減弱,宜選擇單條刀軌平均長度最長的走刀方向,如圖6所示。

在斜面加工時，若采用圖7所示的橫向水平走刀，每一段走刀距離都很短，在切削過程中主軸需要頻繁換向，切削穩(wěn)定性差，且由于切削的是斜面，水平走刀需要X或Y軸與Z軸的聯(lián)動，不利于切削速度的提升。因此，針對此類斜面加工，走刀軌跡盡量安排為平行于最長斜邊（見圖8），不但走刀軌跡最長、換向次數(shù)最少，而且單道走刀都只是在XY平面運動切削，Z軸方向運動都是安排在工件輪廓之外的位置，即使在高速切削下亦可減小刀具損傷。

2.3 切削參數(shù)

圖5 小曲率半徑曲面的走刀路徑

圖6 大曲率半徑的曲面走刀路徑

圖7 橫向水平走刀軌跡

圖8 斜向平行走刀軌跡

在粗加工時，一般可選擇大進給量與適當大的切削深度并配以中等切削速度的“大功率”高效切削，更能達到高材料切除率，從而極大提高生產(chǎn)效率。而對于精加工來說，只有提高轉(zhuǎn)速和增大齒數(shù)是可行的，而增大每齒進給量可能會降低表面精度，產(chǎn)生殘余應(yīng)力導致變形。所以往往通過高切削速度、低每齒進給量的“輕切快切”來保證生產(chǎn)效率的提高和產(chǎn)品的精度及表面質(zhì)量。

切削參數(shù)可通過切削加工有限元分析和切削加工試驗最終確定：利用Third Wave AdvantEdge 軟件，針對不同工藝參數(shù)下的機床主軸功率與扭矩需求，進行了仿真分析運算，獲取機床主軸能夠很好地滿足產(chǎn)品高速加工工藝需求的主軸轉(zhuǎn)速、每齒進給量和切削深度等要素的可選范圍。為切削試驗參數(shù)選擇提供指導性建議。

在Third Wave AdvantEdge軟件內(nèi)，通過新建任務(wù)，完成工件材料、刀具材料及涂層、刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)、切削用量的設(shè)定，進行仿真，獲取某一切削用量下切削扭矩需求曲線圖。根據(jù)曲線圖顯示數(shù)據(jù)確定在當前的切削用量下，切削功率及切削扭矩的最大需求，比對機床實際性能參數(shù)（電主軸扭矩、功率圖）即可確定工藝參數(shù)的符合性。

例如，最高轉(zhuǎn)速24000r/min的加工中心進行2219鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件高速粗銑加工，采用可轉(zhuǎn)位刀具搭配無涂層細晶粒硬質(zhì)合金刀片，選用φ25mm、φ32mm兩個水平的刀具直徑，進行仿真計算，結(jié)果如表1所示。其中，編號24-1刀具直徑25mm，刀齒數(shù)3，主軸轉(zhuǎn)速6000r/min，每齒進給量0.15mm/z，切削深度1.5mm。

表1 高速銑削粗加工的功率和扭矩仿真計算結(jié)果

（1）功率需求如圖9所示。

圖9 編號24-1切削用量下切削功率需求

（2）扭矩需求如圖10 所示。

圖10 編號24-1切削用量下切削扭矩需求

從圖9和圖10可以看出，在當前的切削用量下，切削功率的最大需求為7kW，切削扭矩需求為11N·m。機床主軸最大轉(zhuǎn)速為24000r/min的龍門高速加工中心在6000r/min時的最大功率輸出為42kW（額定工作條件S1），最大輸出扭矩為67N·m（額定工作條件S1），能夠滿足當前的加工需求。

通過對8組仿真結(jié)果確認可以發(fā)現(xiàn)，為了使機床的加工功率和扭矩能夠滿足切削加工用量的要求，必須合理選擇刀具和切削用量，如表2所示。

現(xiàn)有的龍門數(shù)控加工中心，機床主軸最高轉(zhuǎn)速達24000r/min，在薄壁壁板的粗加工過程中，若選用φ25mm或者φ32mm可轉(zhuǎn)位式刀具，對于切削用量的優(yōu)化，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)適當提高，選擇范圍為12000～15000r/min；每齒進給量和切削深度不應(yīng)過大，可選擇范圍分別為0.15mm/z和 2～3mm。

在有限元分析所得參數(shù)可選范圍內(nèi)即可設(shè)計切削試驗，以切削效率、表面粗糙度、加工表面形貌為評判標準，最終選取最優(yōu)切削參數(shù)。

加工實例

根據(jù)以上改進思路，對一種典型折疊式翼板進行了高效加工工藝改進。

根據(jù)該零件多角度斜面、圓弧面過渡、高精度孔槽特點，選用DMG高精度五軸加工中心作為加工設(shè)備，設(shè)計制造了專用液壓可調(diào)工裝，以一臺液壓動力單元為專用液壓工裝提供動力源，油液通過管道進入工裝主體內(nèi)部液壓缸，以控制夾持原件的夾緊和松弛運動。

表2 機床功率與扭矩需求分析

翼板零件的各個型面材料去除量占到了整個零件材料去除量的70%，在加工中時間占比也非常高，通過改進刀具，優(yōu)化切削參數(shù)，提升型面加工效率，可大幅縮短翼板類零件制造時間。

改進后采用SECO品牌的R220.69-0050-10-5Aφ50mm鑲片式立銑刀頭搭配XOEX10T304FR-E05 H15刀片（見圖11）完成各型面的粗加工。鑲片式銑刀較之整體式銑刀有剛性好、經(jīng)濟性高的特點，本次選用的φ50mm鑲片式立銑刀適用于方肩銑，鑲嵌刀片長度為10mm，最大切深可達9mm，一把刀就可同時完成翼板零件各端面及側(cè)面的加工。為了提升加工效率，走刀時幾乎采用滿切寬進行切削，每齒進給fz約為0.05mm/z，進給速度約為900m/min。

在翼板零件型面精加工時，由于零件存在較高的側(cè)壁需要加工，必須選擇懸伸較長的刀具進行切削，因此對刀具的剛性提出更高的要求。因此選用了SECO品牌的φ20mm整體硬質(zhì)合金立銑刀，搭配熱縮夾持刀柄，進一步提升切削剛性，如圖12所示。

經(jīng)過對翼板零件型面的粗精加工高效改進，該零件加工效率提升3倍以上，產(chǎn)品尺寸精度及表面質(zhì)量得到有效保證，改進前后加工出的型面表面形貌如圖13所示。另外，在精加工高速切削時，金屬材料被迅速切斷并脫離工件表面，因此加工出的零件周邊毛刺明顯減少，后續(xù)鉗工挫修工作量大幅減少，進一步縮短零件整體加工時間。

圖11 φ50mm鑲片銑刀刀盤及刀片

圖12 熱縮刀柄夾持的SECOφ20mm整體硬質(zhì)合金立銑刀

圖13 改進前后加工出的型面表面形貌

結(jié)束語

航天鋁合金結(jié)構(gòu)件在航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件加工中占比大，通過高效加工改進，可大幅提升產(chǎn)品加工效率，縮短加工時間、降低勞動強度，同時保證產(chǎn)品精度柄獲得了更佳的產(chǎn)品表面質(zhì)量。該改進思路亦可以拓展運用于其他行業(yè)更多薄壁結(jié)構(gòu)件的機械加工中。

[1] 王少紅. 航空薄壁零件的銑削加工變形控制研究[D]. 大連:大連交通大學, 2008