高厚度铝合金自由锻件加工中变形控制方法

刘翘 王霞

航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁沈阳 110850

高厚度铝合金自由锻件因受限于材料成型技术，加工中产生的零件变形无法适应后续柔性装配需求[1]。因此为满足先进飞机设计人员的高强度要求，就要不断探索并解决高厚度自由锻件在机加过程中的零件变形问题。为了避免或减少这种由变形因素对产品质量带来的不利影响，有必要针对零件生产过程中造成工件变形的原因进行深入分析及广泛实践，掌握控制零件变形的有效方法，从而进行可行性推广应用。

1 零件结构特点及加工难点

高厚度铝合金自由锻件普遍应用于“支臂”类零件，其外廓高度为δ170mm，零件侧面支出“U”型槽口，毛料粗加工后重量依然达到33．152kg。由于加工可达性极差，数控加工过程中需要充分释放其内应力，才能满足在自然状态下装配零组件。

加工难点在于零件高度达到δ170mm，零件在粗加工过程中残余应力释放不均匀进而支臂“U”型槽口出现扭曲现象及定位基准面翘起现象，导致粗加工后保留5-7mm 加工余量；粗加工后余量越大，精加工时的变形量随之越大，需要大量时间进行人工时效，严重影响装配质量及交付进度。

2 影响零件变形的主要因素

2.1 工艺凸台对零件变形的影响因素

高厚度铝合金自由锻件由于毛料打平面后厚度达到δ180mm，需要在数控加工前充分考虑到工艺凸台设定位置及数量。位置不当，一方面粗加工过程中会导致残余应力释放不充分，零件发生扭曲变形的同时定位基准面呈现翘起变形状态；另一方面由于毛料过高，会为刀具五坐标摆角精铣零件设置人为障碍。数量不当，零件的定位基准面安排不合理，从而切削过程中定位方式不牢固，导致装夹变形无法完成零件的优质高效加工。

2.2 残余应力释放对零件变形的影响因素

残余应力是存在于物体内部且保持平衡的力。毛坯内部残余应力的分布及大小对工件的加工变形有很大的影响，是引起工件加工后变形的主要原因之一。机械加工和强化工艺都能引起残余应力。残余应力一般是有害的，如零件在不适应当的热处理、焊接或切削加工后，残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。零件的残余应力大部分都可通过适当的稳定化热处理消除。残余应力也有有益的方面，它可以被控制用来提高零件的疲劳强度和耐磨性能。

2.3 工艺方案对零件变形的影响因素

（1）数控粗加工方式对零件变形的影响。零件粗加工选择的设备直接影响零件加工的变形效果，变形量的大小又决定了粗铣后为精加工留取的工艺余量大小；在粗铣后定位基准面变形相对较小的前提下，工艺余量越小对控制精加工过程中的零件扭曲变形越有利，精加工后的成品零件在自然条件状态下越能满足飞机装配型架要求，实现无应力集中状态下装配零件。

（2）粗铣后的切断方式对零件变形的影响。零件粗加工后，由于零件与毛料之间依靠连接筋拉拽力连接，零件尚未脱离毛料仍然处于应力释放的关键阶段，周围料边仍对料心的零件变形施加应力作用；越延迟切断零件，弹性变形量越加不可控制，对后续消除变形完成零件精加工带来质量隐患。通过试切实践发现，粗铣后相对于转换工位到常规铣床切断零件，在原高速加工中心上采取数控切断的方式更加有利于控制零件变形。

2.4 数控编程及切削参数对零件变形的影响

零件及毛料的结构特点决定需要大下切深的高速铣刀具，数控铣刀的下刀深越长，刀具在铣切零件的颤动量也就越大，切削过程中的动平衡性越差，编程轨迹要求考虑的因素就更加复杂多变，所以选择合理的编程方式及切削参数尤为重要，可通过分析零件在前期加工过程中的实际变形情况调整编程策略，并对切削参数进行优化使零件充分释放内应力后有效控制零件变形[2]。

3 变形控制方法对比与选择

3.1 工艺凸台的改进与选择

考虑到工艺凸台设定的变化形式对于零件装夹定位起到至关重要的作用，根据产品的工艺性特点，设计出便于装夹及辅助支撑的工艺凸台，并利用辅助支撑强化切削点的刚性以减少因弹性变形而引起的精度误差，使工件在加工过程中具有良好的开敞性，避免刀具与余料产生延刀碰撞现象，更加有利于释放零件的残余应力。工艺凸台设置应遵循简单易于定位的原则，积极避开深腔加工中的延刀余料部位。

3.2 自然实效与稳定化热处理

零件粗加工后由原加工方案变形量的2-3mm 至现行高速加工后变形量的0．5-1．5mm，自然实效周期长且效果不明显，采用72小时自然实效后，变形量仍然≥1．5mm；采用稳定化热处理可以在产品精加工之前得到最大程度上的释放残余应力，装炉放置半成品（重量大于30kg）时，零件之间的间隙应不小于50mm；在一个料架上，外形尺寸大的零件不允许摆放两层。稳定化热处理时，实效温度允许范围200±5℃，零件随炉升温，控制仪表到设定温度145℃时开始计时2-3h，保温结束后出炉空冷，定位基准面变形量范围控制在1mm 范围内。

降低了切削力导致的零件变形程度，料边正常脱离零件的同时一并带走切削热。

4 结语

本文基于高厚度铝合金自由锻件的高速加工，通过对零件加工过程中的工艺技术角度分析，从稳定化热处理、工艺方案、程编策略及切削参数等方面对零件变形的影响作为切入点，阐述了解决零件变形的控制方法。变形控制的成功解决也提高了飞机结构件的加工质量和加工效率，降低了加工成本，同时拓展了消除陡峭侧壁加工变形的思路，达到均匀释放残余应力的目标。