某型机机体结构3框数控加工工艺设计

豆永鹏+郭垠昊+闫冰

摘 要 针对某型机3框薄壁零件结构特点，通过对零件工艺方法的研究，有效解决了零件加工过程中存在的加工变形、壁厚不易控制的问题，在实现零件高速切削加工的同时，大幅提高了加工效率。

关键词 薄壁零件；工艺方法；加工变形

中图分类号：TG547 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0040-02

某型机机体结构3框是该型机机身主要承力框和传力框，框体面航向方向与驾驶舱相连接，逆航向方向与中机身连接，框体横梁上方连接主减速器安装平台，两处左右对称凸缘安装主减速器接头，框体左右外缘边框有两处非法向φ34螺纹孔，螺纹孔通过撑杆连接安装主起落架，该件属于整机机体结构的关键部件。

1 工艺分析

零件采用7010-T451高强度、抗蚀、具有损伤容限的合金铝，其材料组织稳定，切削性能好，但切削时容易粘刀、产生积屑瘤，加工难度较大。3框零件外形尺寸为1697 mm×1043 mm，外形尺寸大、壁厚薄、加工余量大、相对刚度较低。由于零件采用了等强度设计，零件正反面形成了对称分布的下陷、立筋和腔槽，此类的强度设计一定程度上虽然减轻了框体的结构重量，但是导致零件的长度方向挠度变大壁厚变薄，框体腹板厚度最薄处为1.5 mm，最后处仅为3 mm，因此在加工过程中零件外形轮廓尺寸较难控制。

通过对3框的上述工艺分析，其工艺有以下特点。

1）针对零件材料本身工艺特性，3框需采用高速铣削方式加工，刀具应选择具有高耐磨性、高抗弯强度和冲击韧性及良好的耐热冲击性能，同时刀具表面的粗糙度低，以减小与铝合金的摩擦和粘结。

2）航空机体结构件的复杂型腔是由整块毛坯件逐步铣削挖制而成，此件的加工工艺过程为：粗加工-半精加工-精加工。由于框体壁厚薄，尺寸精度高，为防止应力变形，工序间合理安排加工时效。

3）零件结构复杂，且多处型腔的腹板Z向无支撑，加工中壁厚不易控制，因此需考虑装夹定位和工艺协调。

4）零件尺寸大，毛坯尺寸为1910 mm×1300 mm×120 mm，切削加工时间长导致零件生产周期长，且材料利用率非常低，整体结构件只有10%，在保证零件加工质量的前提下，工艺设计重点考虑如何通过合理设置加工参数，提高加工效率，缩短加工周期。

2 工艺设计

通过对3框的工艺分析，下面从工艺流程设计、夹装定位、数控编程等方面进行详细说明。

2.1 工艺流程设计

为了保证铣削过程中零件精度保证质量、有效控制零件变形，工艺流程设计如下：大余量粗加工、自然时效、真空装夹精加工。其中大余量粗加工主要是通过高速切削去除毛坯的大部分材料形成零件的初加工尺寸。自然时效主要是通过一段时间的自然放置，可以进一步释放粗加工过程中材料产生的残余应力，有效控制精加工过程中的零件变形。真空装夹精加工依据零件三维数模分析提取的真空吸附夹具，对框体单侧吸附精加工一面，之后通过定位孔翻转精加工另一面，真空吸附主要为了确保零件加工过程中的连接稳固同时也为有效控制零件加工变形。

2.2 定位夹装

零件进行四周连接的装夹时，第二面加工处于悬空状态，因此需要考虑连接和装夹的稳固性，并做出合适的工艺辅助线、零件和毛坯的工艺连接台。工艺连接台必须有足够的强度，才能保证连接和装夹不松动。因此毛料尺寸必须保证足够的装夹余量，保证装夹的可靠，避免装夹的切换；零件和周围毛料的连接要有足够的强度，避免加工振颤，装夹定位用四个定位孔找正。

3框多处型腔的周圈腹板Z向无支撑，加工中易变形，尺寸保证困难。经分析提取真空夹具，将粗加工完后的零件直接吸附在工装上，再进行精加工。为了避免加工中残余应力释放不均匀，减少框体翻面加工中零件变形及重复定位不精确产生位移的问题，加工中采用多点过定位的方式，强制消除加工中产生的变形、位移。

通过上述方法确保零件能够装夹牢靠，提高加工精度。

2.3 加工辅助线

立筋、下陷加工后存在加工残余，导致零件表面粗糙度和壁厚难以保证，因此数控编程过程中需要做一些加工辅助线。例如加工立筋或侧面时，通常要圆弧进刀和退刀，在筋条面上作出用于编制进退刀程序的相切筋条的圆弧辅助面，以达到恒定的切削条件，避免让刀，来保证筋条厚度。

2.4 编程设计

薄壁框体零件的加工要求金属去除量均匀，铣削过程的载荷稳定，铣削给进速度均衡，避免进刀方向和加速度的突然变化，适宜的编程设计可以满足上述要求，保证零件加工质量。下面主要从铣削策略、刀具选择、切削参数配置等方面说明。

2.4.1 铣削策略

零件毛坯为大尺寸厚板，因此加工过程分层多次铣削，以避免高速铣削过程中产生的过热及应力，致使框体变形、刀具崩刃。由于航空铝合金材料在高速铣削过程中较容易粘刀在零件表面容易形成积屑瘤，因此加工过程中的铣削路线多采用“区域往复对称加工”的方法，进一步有效控制零件变形和零件应力集聚。

2.4.2 刀具选择

合理的刀具选择对零件加工精度和加工质量至关重要。为保证切削的稳定性，降低排屑难度，减缓腹板Z向变形，铣刀刀具的齿数选择适中，为减小主轴刀具的偏心量，铣刀刀齿应该沿整个圆周方向对称。考虑到刀具寿命、零件表面加工质量、加工过程切削力的大小、变形等因素，刀具的前角、后角和螺旋角需要综合考虑，因此前角范围在12°～25°之间，后角按照轴向切深与径向切深比值的（ap/ae）选取原则，针对该零件后角选择范围在6°～18°之间。

2.4.3 切削参数

1）粗加工参数配置。粗加工的目的是在有效时间内高效去除零件材料，不形成关键重要尺寸，刀具选用大直径硬质合金刀，切削方式为顺铣。此件选用直径32 mm立铣刀，切削参数ap=3 mm，ae=3 mm，fz=0.5 mm/z，F=6000 mm/min，S=13000 r/min，粗加工留量2 mm。

2）半精加工参数配置。选用直径25 mm立铣刀，切削参数ap=1.8 mm，ae=2 mm，fz=0.2 mm/z，F=4000 mm/min，S=12000 r/min，半精加工留量0.2 mm。

3）精加工参数配置。精加工形成零件最终的外形尺寸、形位和几何尺寸及要求的表面粗糙度。因此精加工选用直径12R3立铣刀，切削参数为ap=0.2 mm，ae=0.3 mm，fz=0.05 mm/z，F=3000 mm/min，S=8000 r/min。

3 结束语

某型机3框零件外形结构上多立筋、下陷、腔体，外形尺寸较大，框体外缘左右边框表面为曲面走向，导致框体整体加工质量和精度不易保证，由于壁厚薄、切削变形不易控制，零件的加工周期长、废品率较高。通过对工艺流程设计、夹装定位、数控编程等方面参数进行多次优化和改进并应用CATIAV5R19软件进行刀路仿真后，固化了各项参数，该零件存在的上述问题得到了良好控制，使得该零件的生产效率提高了50%，大大缩短了零件的生产周期，保证了生产进度。

参考文献

[1]詹熙达.CATIAV5R20数控加工教程[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]侯冬梅.薄壁吊舱零件高速切削工艺研究.航空科学技术[M].北京：中航传媒出版社，2012：60-62.

[3]徐圣群.简明机械加工工艺手册[M].上海：上海科学技术出版社，1991.

作者简介

豆永鹏（1982-），男，甘肃宁县人，工程师，本科，研究方向：航空机械。endprint