航空控制器箱体加工技术

赵青松

贵州航空工业技师学院 贵州贵阳 550025

1 序言

目前，由于在航空机载产品研制领域，要求对机载产品进行轻量化设计，因此多数航空器机载产品在满足使用要求（功能、性能、强度和刚度等）的前提下，大都采用轻质材料加工薄壁结构件[1]。例如，某航空起停控制箱作为发动机起停控制系统的关键零件，内部安装控制电路板及各种信号指示元器件，要求其强度高、质量轻，且具有良好的散热效果，并能在持续振动的环境中稳定工作。

为满足上述要求，该箱体零件采用航空铝材，并在满足散热、强度等前提下进行了减重设计，结构较为复杂。由于在加工过程中易变形[2]，导致零件合格率低，影响了产品的交付进度，对航空器整体研制进度影响较大，因此对该零件防变形加工技术的研究势在必行。

2 关键因素的识别

该箱体零件采用7075航空铝材，结构如图1所示。零件结构复杂，体积较大，壁薄，加工易变形，同时，内型腔拐角半径6mm，四周具有安装控制旋钮的孔系及螺纹孔，且有均布的方格加强筋深3mm、宽2.5mm；方格尺寸长45mm、宽32mm，底部有厚2mm、深44mm、槽宽4mm的散热片20片，并在箱体长、宽度方向两侧有用于部件安装的支座，加工难度较大。

3 防变形加工技术

3.1 工艺方案

由于该零件的材料为铝合金，结构为箱体且壁薄，内型腔为深腔且拐角圆弧较小，因此很大程度上限制了精加工刀具的选择。如果用传统的三轴数控机床加工，刀具长径比达14，刚性差，为了满足加工精度要求，加工效率低。为了满足使用的强度要求，坯料采用的是整体实心铝材，在机床切削过程中，会产生较大的内应力变形，出现加工振动等问题。为了提高加工效率，保证加工精度，降低制造成本，制定了如下加工工艺方案：毛坯准备→加工工艺螺纹孔→加工中心粗加工→人工时效→加工中心半精加工→加工中心精加工。

（1）毛坯准备 为了保证零件最终的使用强度，采用热轧铝板为毛坯材料，尺寸为长360mm，宽340mm，厚度185mm。厚度方向是机压面，相对平整。

（2）加工装夹螺纹孔 为了满足下一工序的装夹需求，在毛坯材料顶面，X轴和Y轴方向分中，沿零件前后两侧各加工3个深20mm的M10螺纹孔。螺纹孔的位置如图2所示。

图2 螺纹孔的位置

（3）粗加工零件外形 为了减少加工时的装夹次数，提高零件的加工效率，在粗加工外形的四周和底面时，采用一次装夹在五轴加工中心上定向加工完成。将一块厚30mm的工装板和毛坯材料用6颗M10螺钉联接，再把工装板安装在五轴加工中心的工作台上，根据箱体零件3D模型进行定向粗加工四周及底面，单边留余量3mm。刀具选择直径50mm的铝用面铣刀，刀齿数为4齿。切削参数：切削速度vc=540m/min，进给量f=0.15mm/r，背吃刀量ap=5mm。

（4）粗加工零件内型腔 为了解决粗加工时的深腔排屑和刀具刚性不足问题，在此工序中，用虎钳夹持零件前后两侧面，在三轴加工中心上根据箱体零件3D模型粗加工零件内型腔，单边留余量3mm。刀具选择直径32mm带内冷系统的U钻，有效长度175mm。改进传统的径向切削为轴向插铣，减小刀具在加工深腔时的振动，增强排屑性能，提高加工效率。切削参数：切削速度vc=180m/min，进给量f=0.1mm/r。

（5）稳定处理 时效处理：为了消除箱体零件切削加工后的内应力，先进行冷却，温度为-100℃，保温2h；空冷回温至室温后保持大于3h，再进行热时效，温度185～195℃，保温2～3h；炉冷至80℃后空冷，稳定零件材料组织和尺寸。

（6）半精加工外形（底面方格及散热片、四周壁面方格及孔系） 在去除完大部分材料后，零件的质量大幅度降低，壁面余量基本均匀，前一热处理工序为半精加工和精加工提供了质量保证的基础。为了在精加工工序能减小零件的装夹受力变形，去除材料应力变形等因素，完全保证零件的尺寸、几何公差及表面粗糙度要求，以顶面的安装螺纹孔和工装板安装，把工装板安装在五轴加工中心上，对该零件进行半精加工，使零件各壁的余量更少，单边保证余量0.2mm。具体工步如下。

1）半精加工底面方格型腔，方格型腔顶面、底面和侧面各留余量0.2m m。刀具规格为D5mmR0.2mm的3刃整体硬质合金圆鼻铣刀，应用平面铣方式半精加工方格型腔顶面和底面，轮廓铣方式半精加工方格型腔侧面。切削参数：切削速度vc=90m/min，进给速度vf=1500mm/min，背吃刀量ap=0.1mm。侧吃刀量ae=3mm。

2）散热片粗加工，深度及侧面留余量0.1mm。采用刃部直径3.5mm、刃部长12mm、齿数3刃、有效加工深度45mm、颈部直径3.3mm以及柄部直径5mm的铝用整体硬质合金加长立铣刀。采用动态铣削方法[2]，以减小刀具的切削力，最大限度地有效利用刀具刃长。切削参数：切削速度vc=90m/min，进给速度vf=1500mm/min，背吃刀量ap=10mm，侧吃刀量ae=0.15mm。

3）半精加工四周壁面方格型腔及孔系。各面留余量0.2mm。用直径8mm的3刃铝用合金立铣刀，半精加工四周壁面方格型腔的顶面、底面及孔系侧面。选用D5mmR0.2mm的3刃整体硬质合金圆鼻铣刀，应用轮廓铣方式半精加工方格型腔侧面，保证侧面及拐角圆弧余量均匀。

（7）半精加工零件顶面、内型腔侧面及底面 在该工序中，由于工件型腔深，拐角圆弧小，采用传统的三轴加工方案所选用的刀具长径比较大，刀具刚性不足，加工过程中刀具本身振动大，切削过程中会和薄壁产生共振，导致零件尺寸及表面质量难以保证[3]，因此，在本工序以工件底面、前侧面和左侧面定位，以4个支座压紧，在五轴机床上完成箱体顶面及内型腔的加工，切掉前工序用于和工装板联接的工艺螺纹孔。具体工步如下。

1）用φ8mm立铣刀加工箱体顶面并切掉前工序用于和工装板联接的工艺螺纹孔。切削参数：切削速度vc=100m/min，进给速度vf=1200mm/min，背吃刀量ap=0.1mm，侧吃刀量ae=6mm。

2）用直径20mm的铝用合金立铣刀加工箱体型腔内底大面。切削参数：切削速度vc=50m/min，进给速度vf=1000mm/min，背吃刀量ap=0.1mm，侧吃刀量ae=15mm。

3）用直径10mm、轮廓半径300mm、刀尖圆弧半径2mm的椭圆形铣刀[4]，采用超弦精加工的方式加工箱体内壁和底面清根。因为在使用超弦加工时，五轴机床跟随加工深度的变化不断改变加工角度，把原来刀具14倍的长径比缩小到6倍，所以解决了刀具刚性不足的问题，提高了加工效率[3]，保证了零件质量。

（8）精加工顶面及内型腔 通过前面的粗加工和半精加工，箱体零件的壁厚为2.9mm，在精加工过程中，切削参数、夹紧力及加工过程中的温度变化等均会对零件质量产生影响。在薄壁箱体零件加工过程中，箱体的四壁会在加工完成后向箱体内部变形，为减小箱体壁的向内变形量，精加工时先加工箱体内型腔，完成后，用专用工装支撑箱体内型腔，再精加工外形及底面各孔系及形状。在本工序以工件底面、前侧面和左侧面定位，以4个支座压紧，每个支座的压紧力用扭力扳手测力为35N。在五轴机床上完成箱体顶面及内型腔加工。具体工步如下。

1）用φ8mm立铣刀加工箱体顶面。切削参数：切削速度vc=100m/min，进给速度vf=800mm/min，背吃刀量ap=0.03mm，侧吃刀量ae=6mm。

2）用直径20mm的铝用合金立铣刀加工箱体型腔内底大面。切削参数：切削速度vc=50m/min，进给速度vf=500mm/min，背吃刀量ap=0.02mm，侧吃刀量ae=15mm。

3）用直径10mm、轮廓半径300mm、刀尖半径2m m的椭圆形铣刀[4]，采用超弦精加工的方式加工箱体内壁和底面清根。切削参数：切削速度vc=70m/min，进给速度vf=500mm/min，背吃刀量ap=0.05mm，侧吃刀量ae=3mm。

4）加工箱体顶面及内型腔的深6mm、ST3丝套螺纹，深7mm、直径3.2mm底孔。

5）用φ6mm×45°倒角刀加工顶面各棱边及孔口0.2mm×45°倒角。

通过该工序的精加工，箱体顶面及内型腔的各尺寸均得到保证，表面粗糙度值R a达到0.8～1.6μm。

（9）精加工外形及孔系 在该工序中，用专用夹具支撑箱体内型腔及顶面，在五轴机床上定向精加工箱体四周外形方格型腔、孔系、丝套螺纹底孔、底面方格型腔、底面丝套螺纹底孔、散热片、各棱边及孔口倒角[5]。具体工步如下。

1）精加工底面方格型腔顶面、底面和侧面。采用D5mmR0.2mm的3刃整体硬质合金圆鼻铣刀，应用平面铣方式半精加工方格型腔顶面和底面，轮廓铣方式半精加工方格型腔侧面。切削参数：切削速度vc=100m/min，进给速度vf=600mm/min，背吃刀量ap=0.03mm，侧吃刀量ae=3mm。

2）精加工散热片。采用刃部直径3.8mm、刃部长12mm、齿数3刃、有效加工深度45mm、颈部直径3.5mm、柄部直径5mm的铝用整体硬质合金加长立铣刀。采用轮廓铣削方法，最大限度地有效利用刀具刃长。切削参数：切削速度vc=60m/min，进给速度vf=200mm/min，背吃刀量ap=10mm，侧吃刀量ae=0.02mm。

3）精加工四周壁面方格型腔及孔系。选用D5mmR0.2mm的3刃整体硬质合金圆鼻铣刀，精加工四周壁面方格型腔的顶面、底面及孔系侧面，应用轮廓铣方式精加工方格型腔侧面。

通过该工序的精加工，箱体四周外形、底面及箱体整体的各尺寸均得到保证，表面粗糙度值Ra达到0.8～1.6μm。

3.2 夹具方案

针对零件精加工外形及孔系的工艺要求，采用了可调节专用夹具的结构设计，具体如图3所示。

图3 夹具

在该夹具中，工件安装时，旋转调节螺钉1和调节螺钉2，让楔紧块1和楔紧块2向后退，使滑块1和滑块2顺着燕尾导轨向内缩，有足够的间隙保证箱体内型腔能轻松地扣在夹具体上。再旋转调节螺钉1和调节螺钉2，让楔紧块1和楔紧块2向前进，使滑块1和滑块2顺着燕尾导轨向外撑，在此过程中，为了使箱体零件不会向上脱落，需要用手进行辅助。安装好后，用0.03mm的塞尺检查箱体顶面与夹具底板是否贴合，以保证安装到位。

4 效果验证

通过该工艺方案和专用夹具，保证了航空控制器箱体零件的加工精度，在不同加工阶段，通过采用不同的夹具、刀具和切削参数，实现了精密薄壁铝材箱体零件的定位夹紧，解决了在夹紧力作用下产生的变形问题。可以加工2.5～4mm壁厚的铝箱体零件，尺寸公差＜0.05mm，表面粗糙度值Ra＜1.6μm，几何公差也能保证＜0.05mm。本操作方法适用于各种精密薄壁铝箱体零件加工，定位精度高，操作简单，装卸工件方便，夹紧力均匀作用在装夹工件上，可根据不同情况进行调整。加工范围广、适用性强。

5 结束语

通过分析起停控制箱结构和重要尺寸特征，选择合适的加工基准，确定精加工装夹及找正方式和粗、精加工的划分，最终制定合理可行的加工工艺方案。通过防变形措施，选择合适的精加工切削方式及刀具，设置合适的切削参数，安排工步顺序，保证了重要尺寸的精度及要求，并最终根据工艺方案和重要尺寸的保证措施，加工生产出了合格的控制器箱体零件，为薄壁铸铝箱体零件的加工提供了参考。