长梁类零件加工中变形的控制

安卫星

（中航工业沈飞数控加工厂，辽宁 沈阳 110034）

飞机上的铝合金大型零件，包括框、梁、壁板等结构件。如：第1纵墙根部、1号油箱上壁板、1号油箱下壁板等。其中，第1纵墙根部外形为机翼理论外形；零件长度长，角度多，结构复杂，容易变形，严重制约了零件生产的进度。下面以第1纵墙根部为例，通过对此零件的加工工艺方案分析，可以为墙类及长梁类零件的加工提供参考。

1 结构分析

第1纵墙根部，是飞机的外翼部分，是外翼的重要承力结构件，第1纵墙由根部、中段、外段共3部分组成，根部从翼根对接面至第10肋。中段与第1纵墙根部对接，是较长的墙类零件。上下翼面缘条及内部筋条全部带有角度，缘条、筋条、腹板较薄（最薄处2 mm），剖面为槽形沿肋轴线加筋形式。材料牌号：7B04 T6铝合金，外廓尺寸：50 mm×265 mm×3 500mm。零件结构图如图1。

图1 零件结构图

2 工艺分析

由于零件结构比较复杂，零件在加工过程中易翘曲、侧弯，变形大，加工周期较长。

2.1 毛料状态

板料尺寸1 400 mm×3 500 mm，共加工6件，每两个零件之间距离应尽量小于50 mm，以便保证毛料够加工。

粗加工之前，铣完基准面之后，将外形样板铺在零件上表面划出原点，x向偏移1 495 mm，y向偏移214 mm即为第二件零件原点。在真空平台上完成6件零件的粗加工，然后进行单件半精、精加工。

2.2 加工阶段的划分、辅助工序的安排

（1）由于零件细长易变形，腹板、缘条、筋条较薄，所以分3个加工阶段：粗加工、半精加工、精加工。

（2）每个阶段之后，安排校正工序，这样有利于加工过程中应力的释放。

3 工艺方案

3.1 原方案

（1）数控加工路线。为铣基准面→钻铰基准孔→粗铣外形→粗铣内形→校正→半精铣外形→铣缘条、筋条高→铣孔→校正→铣筋条厚→精铣外形→校正→检验；

（2）加工余量分布。为粗加工留3 mm，半精加工留0.5 mm。另外，腹板在半精加工阶段加工到量。

3.2 优化后的方案

（1）加工路线。为铣基准面→粗铣外形→粗铣内形→铣缘条、筋条高→钻铰基准孔→校正→半精铣外形→半精铣内形→钻铰基准孔→校正→测量外形→铣筋条厚→测量筋条位置→精铣外形→校正→测量零件外形→精铣内形→铣孔→半成品检查；

（2）加工余量分布。加工余量与原加工方案相同；

（3）工序的安排。为精加工阶段安排工序时，先精加工外形保证外形，测量结果合格后再精加工内形，根据壁厚来保证内形。

3.3 优化方案的优点

（1）工艺方案不同。原方案只是把外形精铣到位，内形仅进行了粗加工，内形的精加工让常规工段来铣。而目前常规工段任务繁忙，且加工周期较长，为此决定在数控加工阶段将内形加工到位，常规只进行补加工，大大减少了零件的加工周期。数控加工走刀轨迹精确，加工后更容易使零件符合图纸及样板。

（2）铣缘条、筋条高工序前移。之所以把铣缘条、筋条高工序放在粗加工阶段，是因为粗加工采用真空平台装夹，半精加工及精加工则采用自制铣夹来定位装夹，在粗加工阶段加工此工序便于装夹，既大大节省了时间，又提高了机床的利用率。另外在粗加工状态完成，此时缘条，筋条厚度较大，不易于产生振动，利于加工。

（3）装夹定位方式不同。原方案采用①、②、③三个工艺孔定位，考虑到零件比较长，尾端如果没有定位销容易发生尾摆，故在小端头增加一个工艺孔④，将零件的变形控制到最小。

（4）铣孔工序后移。因为所有数控工序都要用到工艺孔④，所以孔④在数控工序结束前不能被铣成大孔，铣孔工序就只能放在最后了。

（5）增加测量工序。加工过程中，零件会侧弯、翘曲，而且侧弯校正不了，再加上机床误差，所以要在半精加工外形后增加测量工序。然后才好确定精加工外形时需切除的加工余量，才能保证零件不会超差。因为筋条是斜的，不好检验，故增加上测量机测量筋条位置工序。

4 编程方法

值得一提的只有两点：

（1）由于铣一侧外形时压板压紧另一侧，铣另一侧时再把压板倒换到这一侧。根据这种压紧方式，在编制精加工外形程序时，要分成铣上翼面、下翼面两个程序，编制半精加工外形程序时也是如此。

（2）精加工内形程序也分成铣上翼面、下翼面两个程序编制，目的是解决零件变形造成两侧的余量不均匀，加工时可以通过调整原点保证缘条的厚度。

5 装夹方案

单个零件采用自制铣夹来进行定位装夹，用4个定位销定位。自制铣夹平面图如图2。

图2 自制铣夹平面图

5.1 自制铣夹

粗加工采用真空平台吸附装夹，同时加工6件。半精加、工精加工采用自制铣夹，如图3。

（1）找正。以孔①中心为原点，孔①、②中心连线为x轴拉直找正。

（2）定位。4个基准孔皆为Ф12H9，所以用4个Ф12 mm的定位销来定位。其中孔①用圆柱销，其余3个孔均用菱形销。

（3）压紧。用10～16个压板均布压紧铣夹。

5.2 零件的压紧

压紧零件时要注意以下几点：

（1）采用压板均布压紧，由于零件较长，半精加工、精加工时应多压一些压板，且每个压板压力要尽可能均匀。

（2）半精加工、精加工外形时，方法是加工一侧时压紧另一侧，加工另一侧时把压板倒到这侧来，倒压板时注意两侧压力要近似相等，以减少零件变形。

（3）在精加工时，将压板放在有筋条的上方，而且压力不要太大，因缘条较薄且带有角度，直接压在缘条上容易引起变形。

6 程序的优化固化

首先做程序固化，减少人工干预，在程序固化的基础上，进一步程序优化，使切削参数进一步合理化，充分发挥数控机床的优势，提高数控机床的效率。在优化程序时，注意切削参数选择原则：

Dc为铣刀直径，mm；

Ap为轴向切深，mm；

Ae为径向切深，mm；

Vc为切削速度，m／min；

Q为金属去除率，mm3/min；

Zn为总齿数；

Fz为单齿进给量，mm；

n为主轴转数，r/min

Vf为工作进给，mm/min。

由

Vc=(π×Dc×n)/1 000（根据材料的切削特性确定）

导出

n=(Vc×1 000)/(π×Dc)（主轴转数）；

Vf=Fz×n×Zn（进给速度）。

以上诸多参数中，最主要的是Vc、Dc、Fz。切削速度Vc的高低，决定了切削效率的高低。它是根据机床类型、零件材料和刀具材料等因素确定的。Vc确定之后，就可以导出主轴转数n。单齿进给量是确定进给速度的重要参数，其取决于切削状态和被加工材料。确定了单齿进给量之后，根据主轴转数和刀具的齿数，就可以计算出进给速度Vf了。

Ap、Ae的确定。遵循Ap×Ae=R2（刀具半径的平方）的原则，可以获得最大的金属去除率。

粗加工阶段，应该以小的轴向切深（Ap），大的径向切深（Ae）为原则，以较高的进给速度获得最大的金属去除率；精加工阶段，是以保证加工精度为目的，所以应该选择合理的径向切深（Ae），适当的主轴转数和进给速度。

6.1 参数固化

主要从以下几方面入手（以63 m机床为例）：

（1）主轴转速。大直径刀具用较小转速，例如Φ40 mm、Φ 30 mm的刀具，n=2 500 r/min；小直径刀具用较大转速，例如Φ16 mm的刀具，n=3 000 r/min。

（2）进给速度。粗加工外形采用 f=800～1 000 mm/min，粗加工内形采用f=600～800 mm/min；精加工外形采用f=1 000～1 500 mm/min，精加工内形采用f=800 mm/min。

6.2 程序优化

（1）改变定位方式。为了消除粗加工后零件产生的侧弯、两定位孔之间的部分向外鼓造成的余量不均匀。在粗加工结束时先钻铰出①、③两孔，就用这两孔来定位进行半精加工。半精加工结束后，大部分变形被消除时，再钻铰②、④孔，之后用4孔定位进行精加工。

（2）改变加工余量分布。半精加工余量改为1 mm，原来的0.5 mm太少。因为零件材料是国产的，性能比较差，加工时变形较大，余量小会导致精加工时加工不到，也就是零件在半精加工后已经比理论尺寸小了。

（3）粗加工程序分层。由于粗加工零件内外形时，切削量及切削深度（54 mm加工至6～8 mm）都比较大，故将粗加工程序分为3层进行加工，每层加工15 mm。

（4）平衡加工时产生的应力。粗铣内形时切削量及切削深度较大，采用从小端头切削1/3，然后再从大端头到小端头切除剩余余量。

（5）优化进刀方式。粗加工时采用“之”字形走刀，根据下刀深度15 mm，分3层按“之”字形往复切入。这种方式要注意铣削长度和每次切深的比例，铣削斜度应小于30°。进给速度可取原速度的70%。所以铣削斜度取10°～15°，进给速度取加工速度的60%。

（6）设置转角减速。通常在内形结构转接圆角小于R10 mm时，编程中习惯以与圆角直径相等的刀具直接靠到角点，形成R。这种情况下，由于转角处由前一把刀形成的R较大，使得当前刀具的切削在转角处余量骤然大增，不仅容易断刀，还会使转角处出现凹刀或残留。在优化过程中，解决方法是在接近转角处，将程序分成两段，靠近转角处的一段，进行减速处理，减速率取原速度的50%～70%。

7 结束语

零件变形在机加车间尤其十分普遍，产生变形的因素也很多，应具体问题具体分析，找出一套可行的加工方案，类似这种零件变形，解决的方式或许还有更合理的方法。随着工艺方案的逐步优化，零件的变形问题会得到控制，同时零件的加工周期将会逐步缩小。

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