多斜孔薄板關(guān)鍵加工工藝研究

□ 唐淋偉 □ 馬東平 □ 黃攀宇 □ 謝 晶 □ 胡洪學(xué)

1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 四川綿陽(yáng) 6210002.武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司 武漢 430205

1 研究背景

風(fēng)洞是飛行器研制的主要地面試驗(yàn)設(shè)備,按氣流速度可分為低速風(fēng)洞、亞聲速風(fēng)洞、跨聲速風(fēng)洞、超聲速風(fēng)洞及高超聲速風(fēng)洞[1]?？缏曀亠L(fēng)洞試驗(yàn)段壁板的加工質(zhì)量將直接影響風(fēng)洞的流場(chǎng)品質(zhì),需要在薄壁結(jié)構(gòu)件上按照氣動(dòng)規(guī)律加工大量孔徑、角度、表面粗糙度一致的斜孔[2],以便有效消除激波,加速氣流擴(kuò)張。跨聲速風(fēng)洞壁板為多斜孔薄板，如圖1所示,屬于典型的薄壁結(jié)構(gòu)件,具有平面度要求高、斜孔多、孔徑和孔位精度要求高、表面粗糙度要求高、容易腐蝕等特點(diǎn)。對(duì)于多斜孔薄板，若采用傳統(tǒng)的加工工藝，則效率低，難度大，報(bào)廢率高。為提高跨聲速風(fēng)洞壁板的加工效率、合格率、表面質(zhì)量,筆者對(duì)多斜孔薄板的關(guān)鍵加工工藝進(jìn)行了研究。

2 主要控制項(xiàng)及難點(diǎn)

根據(jù)氣動(dòng)流場(chǎng)需要,多斜孔薄板對(duì)平面度、孔徑、孔位、孔及孔周邊表面粗糙度都有較高精度要求,薄板還需要耐腐蝕,長(zhǎng)期保持表面光潔。

通常情況下，跨聲速風(fēng)洞壁板材料選用低碳鋼或不銹鋼,壁板的主要加工質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)如下:1 m量級(jí)跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段壁板大面整體平面度不大于0.1 mm;斜孔合格率不低于97%,具體包含孔徑、孔位、表面粗糙度等綜合精度要求。

▲圖1 跨聲速風(fēng)洞壁板結(jié)構(gòu)

3 斜孔加工工藝

工藝試驗(yàn)選用兩種機(jī)床,并分別設(shè)計(jì)相應(yīng)工裝[3],在1 500 mm×600 mm的鋼板板面上按圖紙中的尺寸要求加工1 200個(gè)斜度為60°、孔徑為8 mm的斜孔,鋼板厚8 mm。

(1) 靠模鉆孔。選用傳統(tǒng)具有兩自由度的Z3040搖臂鉆床作為加工設(shè)備,設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝,工裝及裝夾方式如圖2所示。薄板緊貼角度調(diào)整墊板，確保為60°后固定不動(dòng)。將多孔模板，即鉆模固定在壁板上,兩自由度搖臂鉆床鉆頭依靠鉆模導(dǎo)向?qū)Ρ“暹M(jìn)行斜孔加工,鉆模上的預(yù)鉆?？资歉鶕?jù)搖臂鉆床的行程范圍來(lái)設(shè)計(jì)的。

▲圖2 鉆床加工工裝

由實(shí)際加工情況可知,這一加工工藝存在以下問(wèn)題:① 加工位置調(diào)整難度較大,需要多次裝夾,同時(shí)會(huì)影響斜孔加工角度、分布間距的一致性;② 在加工過(guò)程中,雖然有鉆模導(dǎo)向,但鉆頭還是直接與薄板的斜面接觸,鉆頭容易損壞,導(dǎo)致薄板上加工的孔報(bào)廢,鉆孔報(bào)廢率約為3%;③ 鉆削對(duì)薄板大面平面度精度有一定影響,加工后薄板的平面度為0.34 mm，不符合技術(shù)指標(biāo)要求。

(2) 數(shù)控鏜削。選用JOMAX265高精度龍門(mén)移動(dòng)式鏜銑加工中心,銑頭選擇萬(wàn)能搖擺銑頭,采取數(shù)控編程銑、鉆、鉸加工斜孔的工藝[4-5],如圖3所示。由加工精度情況可知,這一加工工藝克服了傳統(tǒng)機(jī)床加工孔板的弊端,薄板平放于工作臺(tái)上,加工調(diào)整簡(jiǎn)單。通過(guò)一次裝夾,可以很好地保證斜孔的位置尺寸和孔距尺寸。斜孔鉆削由機(jī)床自動(dòng)完成,鉆頭受力均勻,基本不存在鉆頭加工報(bào)廢情況,鉆孔合格率達(dá)100%。鉆削對(duì)薄板大面平面度的影響不大,加工后薄板的平面度為0.08 mm，符合技術(shù)指標(biāo)要求。

▲圖3 鏜銑加工中心加工

在加工斜孔時(shí),先使用φ7.8 mm銑刀定位銑出導(dǎo)向孔,然后使用相同規(guī)格的鉆頭加工斜孔。采用這種方法,雖然可以加工斜孔,但是由于加工斜孔時(shí)刀具與薄板面間存在夾角,無(wú)論是鉆還是銑，都存在不均勻切削,導(dǎo)致斜孔孔口位置產(chǎn)生刀具讓刀現(xiàn)象,進(jìn)而產(chǎn)生深淺不一的臺(tái)階孔。使用鉸刀進(jìn)行精加工后，臺(tái)階依舊存在,不能滿(mǎn)足風(fēng)洞的使用要求。

對(duì)上述加工工藝存在的問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié),提出了將薄板加厚的方法。既然只有孔口存在讓刀現(xiàn)象,那么就在薄板上增加一塊工藝薄板,使孔口留在工藝薄板上,這樣薄板就相當(dāng)于有一個(gè)導(dǎo)向孔,經(jīng)銑、鉆、鉸加工完斜孔后去除工藝薄板,薄板上的斜孔即可滿(mǎn)足精度要求。工藝薄板如圖4所示,改進(jìn)后的斜孔加工工藝能很好地滿(mǎn)足薄板的加工要求。

▲圖4 工藝薄板

在鉸φ8 mm的斜孔工序中,采用φ8 mm鉸刀進(jìn)行精加工,由機(jī)床直接進(jìn)行鉸孔,存在鉸孔后斜孔直徑偏大的情況,且容易出現(xiàn)鉸刀受力不均勻，導(dǎo)致斷刀。如果人工鉸孔，又存在效率極低的問(wèn)題。若改為人工加手電鉆鉸孔,則由于鉸孔時(shí)存在一個(gè)角度,鉸刀容易受力不均勻,也會(huì)導(dǎo)致鉸刀報(bào)廢。為解決鉸斜孔刀具受力不均勻的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了手電鉆靠墊,如圖5所示。使用手電鉆靠墊后,加工100個(gè)斜孔，鉸刀報(bào)廢率由16%下降至0.5%。

▲圖5 手電鉆靠墊

對(duì)于不同材料的薄板,鉸刀的材料性能對(duì)鉸孔報(bào)廢率影響很大。實(shí)踐研究表明：對(duì)于以低碳鋼為母材的薄板,采用高速鋼鉸刀即可,鉸孔后,斜孔尺寸公差、表面粗糙度質(zhì)量均容易滿(mǎn)足使用要求;對(duì)于以不銹鋼為母材的薄板,應(yīng)采用鑲嵌硬質(zhì)合金的鉸刀,這樣可以滿(mǎn)足斜孔加工要求,原因在于不銹鋼材質(zhì)偏軟，容易黏刀，若使用材料為高速鋼的鉸刀,鉸孔后斜孔表面容易遺留螺旋痕跡。

4 薄板平面度加工工藝

4.1 熱處理工藝

薄板作為典型薄壁件,大面平面度要求為不大于0.1 mm,加工難度較大,為此熱處理工藝設(shè)計(jì)了兩次退火[6]。第一次退火在粗加工后進(jìn)行,目的在于改善材料組織和切削性能,減小半精加工階段的切削力。第二次退火的主要目的在于盡量去除殘余加工應(yīng)力。奧氏體不銹鋼、低碳鋼的熱處理工藝分別如如圖6、圖7所示。為了避開(kāi)奧氏體不銹鋼熱處理敏化區(qū)間,奧氏體不銹鋼選擇320 ℃作為熱處理保溫溫度,低碳鋼則選擇560 ℃作為熱處理保溫溫度。

▲圖6 奧氏體不銹鋼熱處理工藝▲圖7 低碳鋼熱處理工藝

在熱處理過(guò)程中，由于薄板重力原因或支撐不當(dāng),薄板很容易發(fā)生嚴(yán)重變形,導(dǎo)致后期加工余量不足,從而造成報(bào)廢。為防止薄板嚴(yán)重變形,薄板必須平放,底部支撐要等高平整。

4.2 薄板開(kāi)槽工藝

除鉆孔和熱處理會(huì)導(dǎo)致薄板平面度超差外,在薄板開(kāi)槽過(guò)程中也會(huì)存在平面度超差的問(wèn)題。為減小開(kāi)槽對(duì)平面度的影響,筆者對(duì)薄板開(kāi)槽的時(shí)機(jī)選擇進(jìn)行了研究。

薄板開(kāi)槽的時(shí)機(jī)選擇在薄板第二次熱處理后的精加工階段,先后選擇銑床直接精銑和慢走絲線切割兩種工藝加工。結(jié)果表明：慢走絲線切割開(kāi)槽對(duì)薄板平面度影響較小,但效率較低；精銑開(kāi)槽效率高,但對(duì)平面度的影響較慢走絲線切割要大。加工中具體選擇哪一種開(kāi)槽方式，需要根據(jù)板厚、平衡效率和平面度影響綜合確定。

4.3 薄板結(jié)構(gòu)的影響

跨聲速風(fēng)洞壁板是薄板和薄板框架組合而成的功能部件,兩者的連接形式有焊接和螺紋連接兩種。工藝試驗(yàn)選擇在1 500 mm×600 mm薄板板面上按照?qǐng)D紙尺寸要求加工1 200個(gè)斜度為60°、孔徑為8 mm的斜孔,薄板厚6 mm,加工設(shè)備采用高精度龍門(mén)移動(dòng)式鏜銑加工中心。

若薄板與薄板框架的連接方式采用焊接,然后再進(jìn)行加工，則會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。薄板大面平面度原本可以達(dá)到0.1 mm,但是在平面加工完成后,后續(xù)斜孔加工對(duì)薄板平面度的影響很大。斜孔加工完成后,薄板與薄板框架處于自由狀態(tài)時(shí),薄板大面平面度為0.63 mm,嚴(yán)重影響使用性能，原因在于焊接結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致薄板剛性下降,加工后殘余應(yīng)力釋放，導(dǎo)致薄板整體變形大。

若薄板與薄板框架以螺紋方式進(jìn)行連接，則薄板與薄板框架分別加工[7-9],然后再進(jìn)行螺紋連接。薄板框架如圖8所示。薄板大面平面度可以達(dá)到0.08 mm,平面加工完成后,后續(xù)斜孔加工對(duì)薄板平面度的影響很小。薄板處于自由狀態(tài)時(shí)，薄板與薄板框架采用螺紋連接,壁板大面平面度基本保持不變。

▲圖8 薄板框架

5 薄板防腐蝕工藝

跨聲速風(fēng)洞壁板試驗(yàn)時(shí)受高速氣流沖擊,孔邊緣容易發(fā)生鈍化。風(fēng)洞敞開(kāi)時(shí)處于潮濕環(huán)境中,腐蝕會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度降低。以上現(xiàn)象都會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生較大的影響。

為了選擇較好的防腐蝕技術(shù)方案,筆者開(kāi)展了相關(guān)對(duì)比試驗(yàn)。一是選用低碳鋼作為薄板母材,防腐蝕工藝采用表面鍍鉻,優(yōu)點(diǎn)是防腐蝕時(shí)間長(zhǎng)、效果好,鍍鉻后薄板表面硬度高,缺點(diǎn)是鍍鉻過(guò)程中存在尖點(diǎn)放電現(xiàn)象,孔周邊燒邊,影響孔的質(zhì)量。二是選用低碳鋼作為薄板母材,防腐蝕工藝采用發(fā)藍(lán)[10],優(yōu)點(diǎn)是成本低,缺點(diǎn)是防腐效果一般,且薄板表面硬度低,在風(fēng)洞干燥和潮濕交變的環(huán)境中材料的表面氧化層容易被腐蝕。三是直接選用不銹鋼作為薄板母材,優(yōu)點(diǎn)是防腐蝕效果好[11],缺點(diǎn)是材料和加工成本較高、表面硬度低、孔周邊容易鈍化。

6 加工工藝應(yīng)用

基于以上研究結(jié)果,筆者在FL-25跨聲速風(fēng)洞壁板的加工中應(yīng)用了多斜孔薄板關(guān)鍵加工工藝。壁板材料選用1Cr18Ni9Ti不銹鋼,在1 800 mm×600 mm壁板上加工1 200個(gè)斜度為60°、孔徑為8 mm的斜孔,壁板厚為8 mm。工藝路線為備料、劃線、粗銑、去應(yīng)力退火、畫(huà)線、半精銑、去應(yīng)力退火、精銑、鉆孔、鉸孔、鉗工、檢查、入庫(kù)。加工結(jié)果為，壁板大面平面度達(dá)到0.08 mm,斜孔合格率為100%,標(biāo)模及流場(chǎng)校測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足國(guó)軍標(biāo)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

為了滿(mǎn)足跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段的使用要求,通過(guò)工藝對(duì)比研究,筆者建議跨聲速風(fēng)洞壁板設(shè)計(jì)為分體式結(jié)構(gòu)，斜孔加工采用鏜銑加工中心。

筆者對(duì)多斜孔薄板的關(guān)鍵加工工藝進(jìn)行了研究,大幅提高了跨聲速風(fēng)洞壁板的加工效率和質(zhì)量，取得了較為滿(mǎn)意的結(jié)果,對(duì)同類(lèi)型風(fēng)洞壁板的制造具有參考價(jià)值。