大切削量航空铝合金零部件加工方法研究

2019-11-13徐伍刚

有色金属加工 2019年5期

徐伍刚，李娜

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

目前航空装备零部件向着轻量化发展，即材料在具备刚强度的同时，自身重量必须得到严格控制，某些关键部件对材料的比强度提出了近乎苛刻的要求[1]。铝合金由于其具有比强度高、成形和加工性能好、耐腐蚀性能好等特点，作为非常重要的飞机结构材料，在大飞机结构中占有很大的使用比例。而随着飞机加工精度和轻量化指标不断提高，铝合金数控加工技术显得尤为重要[2]。在航空产业轻量化的发展过程中，航空铝合金零部件在数控加工时切削量节节攀升，产品的高性能和精密化对数控加工技术提出了新的挑战。高速切削技术具有加工效率高，切削负荷低、传入工件的切削热少及加工变形小等显著优点，20世纪90年代中期已成功应用于航空制造业，并取得了显著的经济效益。大飞机结构件中有很多是薄壁件及难加工材料，掏空率较高，大部分都在90%以上，零部件的尺寸精度和表面粗糙度质量要求较高，在加工过程中极易产生变形，高速切削加工飞机薄壁零件有助于降低切削力，减小切削变形，切屑可带走大部分切削热，使制品的表面质量得到很好控制。

1 产品加工要点分析

此型号航空座椅基础尺寸数据如图1所示，采用7075合金板材进行加工，经过理论计算，其掏空率高达93%以上。因此，产品经加工后具有如下问题：(1)由于掏空率较大，产品在加工过程中或精加工完成后出现较大的尺寸变形。(2)产品部分位置壁厚如图2所示，由于壁厚较薄易出现加工震刀，进而影响表面加工质量及后续表面处理工作。(3)在半精加工阶段，若直接采用与零件夹持加工，则在加工过程中，由于刀具加工震颤，零件与夹具相互摩擦，影响加工表面质量及后续表面处理工作。

图1 航空座椅平面示意图Fig.1 Plane sketch of aviation seat

图2 震刀位置示意图Fig.2 Location schematic diagram of vibration blade

2 试制控制方案

根据上述产品加工要点分析，设定如下过程控制方案：

(1)原材料控制。经过加工预料推算，毛坯板材规格为6500mm×372mm×29mm。为控制材料加工变形，合金状态采用7075-TX51状态，其中拉伸量控制采用标距法，即在未拉伸板材上面画米刻度线，在张力矫直阶段进行在线实际测量张力矫直量，以达到1%～3%状态拉伸要求。

为保证产品质量，成分应符合GB/T 3190标准要求，产品质量符合GB/T 6892标准要求，为减少加工过程余量控制和毛坯制造的可行性，毛坯尺寸依照GB/T 14846-高精级执行。根据截面尺寸形状和产品质量要求，毛坯生产采用125MN单动正向高精度挤压设备进行生产。并选用16.5m 1级D类仪表的立式淬火炉和Nabertherm 1级D类仪表的时效炉进行作业，热处理用以参照AMS 2772标准要求，以满足材料性能要求。

(2)半精加工和精加工震刀控制。根据加工零件特点及工艺过程，板料半精加工后，对刀具长度进行控制，增加刀具整体刚度，即在实际生产过程中控制必须短刀漏出33mm～38mm。

(3)装夹及表面控制。板料在半精加工阶段设计工艺凸台与工作台进行固定(图3)，提高零件与工作台固定的整体刚度，防止零件在加工过程中出现平面位移，同时避免了工装与半精加工零件直接接触产生表面摩擦氧化现象。

图3 零件粗加工工艺台设计示意图Fig.3 Schematic diagram of rough machining process table for parts

在精加工阶段，采用仿形尼龙块进行夹持固定，对工艺凸台部分进行精加工。这样既保证了材料的加工精度，同时减少装配过程因夹持和震动产生的摩擦。根据工艺过程分析，在粗加工阶段采用协鸿三轴精密数控加工中心进行加工。在半精加工和精加工阶段采用马扎克五轴高精度加工中心进行加工。完成加工后采用三坐标设备进行实际尺寸测量。

(4)为验证控制方案正确性，测试性数据至少为3点或以上，加工零件至少3支或以上，所有指标需均满足图纸及标准要求。

3 结果与分析

3.1 试制结果

(1)原材料试制结果。原材料经检测，其性能、低倍和高倍组织如图4所示，可以看出，原材料无裂纹，组织良好，且性能完全满足产品要求。

图4 原材料检测结果Fig.4 Raw material test results

(2)零件加工试制结果。经加工后，零件实际如图5所示，且经过三坐标设备测量后，产品零件尺寸满足图纸及标准要求。

3.2 试制分析

(1)原材料工艺对加工变形控制分析。航空铝合金由于在淬火过程中产生的热应力，致使在板材内部形成残余应力，冷却速率越快，内应力越大。因此，在实际生产中，淬火板材金属表面首先由于极冷而产生快速收缩，随着板材内层金属冷却收缩，最终淬火后的板材应力分布特点为板材表面为拉应力，板材内层为压应力(图6(a))。

图5 加工完成零件Fig.5 Finished parts

图6 应力分布图 Fig.6 Stress distribution diagram

淬火后板材，经过塑性张力拉伸矫直过程中，受到长度方向的拉伸应力，且由于材料在受力过程中随着拉伸力值增加，材料由弹性阶段向塑性阶段转变。因此，淬火后板材内部残留有拉应力，在矫直过程中先产生塑性变形，但基于整体性表层金属限制内层金属变形，使得表层金属产生拉应力，内层金属产生压应力(图6(b))。当外力去除后，板材弹性应变松弛，此时板材中残余应力就将是淬火后板材中的残余应力与拉伸矫直变形时所产生的内应力之差(图6(c))。因此，即使板材因外界条件变化破坏了内应力的动平衡，但因张力矫直过程较少材料内部参与应力，使机加工过程减少甚至消除了材料的扭拧和翘曲变形，从而保证材料尺寸精度[3]。

(2)加工过程控制分析。在半精加工和精加工阶段，为减少震刀几率采用短刀进行加工，提高了铣削刀具整体刚度。同时，在半精加工阶段，采用多点位工艺凸台和螺钉与工作台相连，提高了零件固定刚度(图7)，使得零件在半精加工阶段在空间方向具有良好的位移限制，进一步提高了加工效率，进而提高材料加工过程中的进给量和加工转速以获得良好的加工表面质量。在实际过程中，进给量可达3000mm/min以上，转速高达10000r以上。