大型結(jié)構(gòu)框數(shù)控加工技術(shù)

■中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 （黑龍江 150066） 楊 雙 王洪林

大型結(jié)構(gòu)框數(shù)控加工技術(shù)

■中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 （黑龍江 150066） 楊 雙 王洪林

摘要：薄壁深腔類結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工一直是航空制造車間的一個(gè)加工難點(diǎn)。本文以一個(gè)民用直升機(jī)尾部結(jié)構(gòu)的大型結(jié)構(gòu)框?yàn)槔瑥膶?duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工藝性分析入手，對(duì)產(chǎn)品的工藝方法、程編和切削加工參數(shù)的確定等進(jìn)行了論述。

隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，航空零件的機(jī)加工難度越來越高，其中薄壁深腔類零件尤為典型，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面質(zhì)量和尺寸精度要求高，在加工過程中尤其在粗加工時(shí)該類零件變形很大，因此在加工該類零件時(shí)，不僅要采用先進(jìn)的加工設(shè)備，高端的編程軟件，還要確定正確的加工方案，選用合理的刀具和切削參數(shù)，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)要求。

1. 零件結(jié)構(gòu)分析

該例件為某機(jī)型機(jī)身結(jié)構(gòu)件框類零件（見圖1），是典型的薄壁深腔類零件。該零件最大外廓尺寸為3 500mm×800mm，最高處為70m m，壁厚公差為±0.1mm，端頭斜面傾斜角度為42°。該產(chǎn)品外形理論型面復(fù)雜，立筋及腹板壁厚要求較薄，在加工過程中零件特別容易產(chǎn)生變形，因此加工難度特別大。

圖1

圖2

圖3　JOBS146機(jī)床

2. 零件加工工藝性分析

該零件加工難點(diǎn)在于：①毛坯去除量大，應(yīng)力大，零件容易產(chǎn)生變形。毛坯去除量接近90%，加工過程中產(chǎn)生巨大應(yīng)力，變形難以控制。②腔深、壁薄。零件高度最高處達(dá)70mm，立筋最薄處1.5mm，腹板最薄處1.5mm，加工過程中容易產(chǎn)生變形。③該零件為雙面腔，翻轉(zhuǎn)過程中公差積累，尺寸保證困難。④工藝連接筋較多，零件腔內(nèi)腹板形狀復(fù)雜，加工中接刀區(qū)域繁多，大大增加編程難度。⑤零件中間部位懸空，加工中容易產(chǎn)生震顫，影響零件表面粗糙度值及腹板尺寸，對(duì)工裝要求很高。⑥零件端頭處立筋傾斜角度過大（見圖2），給加工帶來了很大難度。

針對(duì)這種情況，在加工前期，我們制定了合理的加工方案及部分典型位置的加工方法。在編程過程中，將CATIA軟件的加工功能和VERICUT模擬仿真相結(jié)合，并應(yīng)用新的機(jī)械加工理念，采用數(shù)控加工中心高速切削的加工方法，結(jié)合合理的刀具和切削參數(shù)，最終大大減少了加工中的變形，在提高加工效率的同時(shí)，很好地保證了零件的質(zhì)量要求。

3. 加工設(shè)備及數(shù)控加工工藝方案

該零件在數(shù)控加工中心JOBS146（見圖3）上進(jìn)行加工。操作系統(tǒng)為SIEMENS 840D；X向行程為 500mm，Y向行程為3 000mm，Z向行程為1 250mm，A±93°，C±200°；主軸轉(zhuǎn)速為50～24 000r/min；主軸功率為

49kW；刀柄為HSK A63。

由于零件外形尺寸及質(zhì)量較大，粗加工后應(yīng)力變形嚴(yán)重，數(shù)控加工時(shí)的定位裝夾不適合采取周邊工藝墻的方案，只能采取在零件上增加合適工藝凸臺(tái)為輔助基準(zhǔn)的方法來保證零件正、反兩面的加工。

依據(jù)毛料尺寸，零件兩側(cè)間隔約600m m，共設(shè)置6對(duì)工藝凸臺(tái)為輔助基準(zhǔn)，其寬度為80mm；零件上部端頭內(nèi)部也設(shè)置一工藝凸臺(tái)，有利于零件加工中的定位、裝夾和壓緊。

以工藝凸臺(tái)為輔助基準(zhǔn)的定位、裝夾方式，替代了銑切夾具，節(jié)省了研制成本，縮短了零件的研制周期，提高了零件的整體剛性，解決了零件局部剛性差的問題，有利于加工尺寸的穩(wěn)定。工藝凸臺(tái)在環(huán)形框零件精加工完成后由數(shù)控工序去除。工藝凸臺(tái)的布置形式如圖4所示。

根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和毛坯狀況，最終確定數(shù)控加工分為粗加工、半精加工和精加工三個(gè)階段。

粗加工階段主要是去除毛坯的大部分加工余量，考慮到零件毛料去除量大，內(nèi)應(yīng)力釋放后產(chǎn)生扭曲和變形，零件所有表面預(yù)留了10mm的加工余量。為充分消除零件的內(nèi)應(yīng)力變形，保證零件精加工后的重要特性尺寸和表面粗糙度，滿足其較高的形狀及位置精度要求，零件的半精加工階段分兩次進(jìn)行，零件所有表面留2mm精加工余量?？紤]到粗加工和淬火后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力變形對(duì)零件半精加工的影響，編程加工原點(diǎn)及編程坐標(biāo)系設(shè)置在零件腹板上部的減輕孔中心處。

圖4

數(shù)控精加工階段的主要任務(wù)是保證零件的重要特性尺寸和表面粗糙度，滿足其較高的形狀及位置精度要求。考慮到該零件為典型的深腔豎梁結(jié)構(gòu)，在數(shù)控精加工階段應(yīng)以保證零件的尺寸精度和表面質(zhì)量為主。

4. 數(shù)控程序編制

（1）程序編制的主要工藝原則。該零件按CATIA三維數(shù)字模型加工制造，零件數(shù)字模型完整描述了零件的主要信息，是CAD/ CAM集成數(shù)控編程系統(tǒng)的核心。

粗加工階段，為減小零件毛料內(nèi)應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的扭曲、變形，程序編制采用等高銑削對(duì)稱去除大余量方式，選擇合適的背吃刀量進(jìn)行分層切削，保持切削和刀具載荷均勻，防止過載和波動(dòng)，減少銑削內(nèi)應(yīng)力造成的變形；考慮到此零件為多槽腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，區(qū)域加工順序選擇不連續(xù)加工區(qū)域的層優(yōu)先方法，以保證粗加工后零件各處槽腔及筋板的加工尺寸一致性；為充分釋放粗加工后的零件內(nèi)應(yīng)力，零件腹板上的減輕孔粗加工并預(yù)留10mm余量。

半精加工是把粗加工后的殘留加工面變得平滑，同時(shí)去除拐角處的多余材料，在工件加工表面留下一層比較均勻的余量，為精加工做準(zhǔn)備。由于半精加工對(duì)零件表面質(zhì)量、輪廓精度及刀具壽命有很大影響，因此，此零件的半精加工分兩次進(jìn)行，在粗加工預(yù)留10mm余量的基礎(chǔ)上，按先進(jìn)行內(nèi)腔、內(nèi)形加工，后進(jìn)行外形加工的加工順序，對(duì)零件所有表面預(yù)留5mm加工余量進(jìn)行第一次半精加工后，再進(jìn)行第二次半精加工，保證零件所有表面預(yù)留2mm精加工余量，最大限度地消除零件變形。

精加工是數(shù)控加工的最后一道工序，其目的是按照?qǐng)D樣要求，使零件達(dá)到最好的表面質(zhì)量和輪廓精度。此零件按先內(nèi)形后外形的加工順序，保證零件的重要特性尺寸和表面粗糙度，滿足其較高的形狀及位置精度要求。

針對(duì)此零件有多處凹槽腔及拐角的特點(diǎn)，采用二刃（或三刃）等直徑銑刀以插銑加工（也稱為鉆銑加工或直搗式加工）的方式對(duì)零件上深陡槽腔的拐角（轉(zhuǎn)接圓角）進(jìn)行精加工，以避免由于銑削刀具太長(zhǎng)，加工時(shí)偏擺太大，導(dǎo)致拐角處的加工尺寸、表面質(zhì)量差等問題。

此零件單面最大精加工深度70mm，是典型的多深腔陡壁結(jié)構(gòu)。為防止精加工時(shí)在陡壁面和非陡壁面上的切削載荷的急劇變化，對(duì)零件陡壁面和非陡壁面采用不同的程編加工方法，陡壁面采用槽腔銑，非陡壁面采用曲面輪廓銑，使這兩部分都得到有效加工，獲得均勻、理想的表面粗糙度值。

總之，精加工階段必須合理安排零件數(shù)控加工程序。盡可能地使用連續(xù)策略，將程序加工

步驟減少到最少，在零件的一些臨界區(qū)域應(yīng)盡量保證不同步驟的精加工路徑不重疊，避免出現(xiàn)刀痕；同時(shí)應(yīng)盡量使用單個(gè)刀具精加工臨界區(qū)域，防止因更換刀具而導(dǎo)致精加工后加工表面產(chǎn)生接刀痕跡，降低零件的表面質(zhì)量，增加后續(xù)鉗修工序工作量等問題。

（2）數(shù)控編程的誤差控制。在圖形交互式自動(dòng)編程方式中，編程的核心是刀位點(diǎn)的計(jì)算，其編程誤差主要考慮兩個(gè)誤差：一是刀具軌跡計(jì)算誤差；二是殘余高度。

數(shù)控編程刀具軌跡是由直線和圓弧組成的線段集合，近似地取代刀具的理想運(yùn)動(dòng)軌跡而擬合產(chǎn)生的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，存在著一定的插補(bǔ)計(jì)算誤差。這種誤差是刀具軌跡計(jì)算誤差的主要組成部分，它會(huì)造成零件加工尺寸不到位或過切現(xiàn)象的出現(xiàn)，在CAM軟件中通過設(shè)置公差帶的方法來控制刀具軌跡計(jì)算誤差。

數(shù)控粗、半精加工階段的主要目的是去除加工余量，消除內(nèi)應(yīng)力變形，考慮到CAM軟件輸出的刀位文件長(zhǎng)度大小及數(shù)控機(jī)床CNC控制器的存儲(chǔ)容量限制，其編程程序公差帶（Machining tolerance）數(shù)值應(yīng)設(shè)置為0.2～0.3mm；此零件尺寸公差按照GB 1800―1999執(zhí)行，數(shù)控精加工階段編程程序公差帶數(shù)值應(yīng)設(shè)置為≤0.05mm，以保證數(shù)控編程實(shí)際刀具軌跡不超出零件制造公差的范圍。

在數(shù)控加工中，相鄰刀軌間所殘留的未加工區(qū)域的高度稱為殘余高度，作為評(píng)價(jià)加工質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，它的大小決定了零件加工表面的粗糙度值，同時(shí)對(duì)數(shù)控加工完成后的鉗修工作量有很大影響。

此零件數(shù)控精加工時(shí)，對(duì)殘余高度的控制采用合理選擇銑削刀具徑向步進(jìn)距離（刀軌行距）方法進(jìn)行編程，在控制殘余高度、保證加工表面質(zhì)量的前提下，應(yīng)以最大的刀軌行距生成數(shù)控刀具軌跡，提高數(shù)控精加工效率。

（3）數(shù)控程序切削用量的確定。數(shù)控編程時(shí)，必須確定每個(gè)程序段的切削用量，并以指令的形式寫到程序中。切削用量主要包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進(jìn)給速度等。不同的加工階段和方式應(yīng)選用不同的切削用量，以充分發(fā)揮刀具的切削性能和數(shù)控機(jī)床功能，最大限度地提高生產(chǎn)率。

主軸轉(zhuǎn)速n的確定：此零件粗加工及半精加工階段均采用五坐標(biāo)數(shù)控龍門銑JOBS146加工。依據(jù)該數(shù)控機(jī)床性能和所選用加工刀具直徑大小，設(shè)置n=15 000r/min較為合適；為保證零件表面質(zhì)量，數(shù)控精加工階段采用n=10 000r/min，并可根據(jù)刀具直徑大小進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

背吃刀量ap的確定：此零件粗加工階段，依據(jù)毛坯材料、機(jī)床性能和刀具直徑，并考慮到內(nèi)應(yīng)力變形、加工效率等因素，ap數(shù)值確定為5mm較為合理；半精加工及精加工階段，根據(jù)加工余量、刀具直徑以及加工后的表面質(zhì)量要求等影響因素，ap數(shù)值設(shè)置為3mm為宜，同時(shí)依據(jù)選用刀具直徑大小在程序編制時(shí)做適當(dāng)調(diào)整。

進(jìn)給速度vf的確定：vf數(shù)值應(yīng)根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求及刀具和工件材料來選擇確定。粗、半精和精加工階段分別依據(jù)切削刀軌行距、背吃刀量ap、每齒進(jìn)給量fz、主軸轉(zhuǎn)速n在保證合理刀具壽命和零件加工精度、表面質(zhì)量的前提下選取合適的進(jìn)給速度vf。

數(shù)控編程中，還應(yīng)考慮在不同切削情況下采用不同的進(jìn)給速度。如在初始切削進(jìn)刀時(shí)，特別是Z軸下刀時(shí)，由于端銑受力較大，應(yīng)采用相對(duì)較慢的速度進(jìn)給；對(duì)于沿Z軸方向進(jìn)給，由高往低的曲面區(qū)域加工模式，在產(chǎn)生端切削時(shí)，也應(yīng)設(shè)置不同的進(jìn)給速度；切削過程中的平面?zhèn)认蜻M(jìn)刀，產(chǎn)生的全刀切削而導(dǎo)致切削條件較差，需采用較低的進(jìn)給速度。

5. 結(jié)語

通過此種零件的加工，我們積累了大量薄壁深腔類零件的加工經(jīng)驗(yàn)，但在對(duì)特殊部位的處理時(shí)還是遇到了很大的困難，歡迎各界專家提出寶貴意見。

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收稿日期：（20140918）