飞机铝合金薄壁件腹板数控加工质量改进措施

蒲昌兰，刘卫武，罗志勇

（中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司结构件厂，成都 610092）

0 引言

随着对飞机性能要求的不断提高，整体铝合金薄壁零件由于重量轻、强度高等结构特点，已广泛应用于现代航空制造领域。薄壁零件主要是指壁厚≤2mm的零件，零件结构轮廓复杂、刚度较低、加工余量较大[1]。很多学者和机构对薄壁零件的侧壁和腹板加工的方法进行了深入的研究探讨，普遍采用高速切削加工来满足要求。虽然先进的设备可以达到很高的精度，但是由于薄壁零件材料去除率高，实际加工中无论在高速切削状态，还是低速切削状态下，零件都不可避免的产生变形和振动，导致加工误差，很难保证尺寸精度和表面质量要求。而对于加工形成的振纹及粗糙度等表面质量问题，一般都要由钳工打磨修整，以保证厚度尺寸及表面粗糙度要求，严重影响了数控加工的质量和生产效率。而腹板作为薄壁结构件的一个重要特征，加工难度大，在实际制造中其加工质量问题尤为突出。

本文在长期的实践加工摸索基础上，对薄壁零件腹板数控加工进行总结分析，并提出了系列控制零件变形，改善腹板加工质量的工艺改进措施，具有实际指导作用。

1 腹板加工质量影响因素

飞机铝合金薄壁零件主要采用将整块板料“雕刻”的方式加工，材料去除量一般在80%以上，加工余量大。薄壁零件在切削加工过程中，特别是粗加工时，产生较大的切削力和切削热，使零件产生较大的受力变形和热变形。另外，在加工过程中，经过材料的去除，毛坯初始残余应力平衡遭到破坏，零件内部应力重新分布以达到新的平衡，从而导致工件变形[2]。因此控制和减小薄壁零件数控加工中的变形是保证加工质量的关键所在。

在薄壁零件加工过程中，由于零件自身刚度的不足，切削受力变形，装夹变形及压紧元件拆除回弹引起的变形，影响了零件腹板数控加工质量，甚至造成腹板尺寸超差报废。因此，从数控机械加工工艺角度分析，影响薄壁件腹板加工质量的因素主要包括零件工艺方案设计、装夹及定位方式、加工刀具、加工顺序，走刀轨迹，以及机床设备等几个方面，如图1所示。

图1 腹板加工质量影响因素

2 腹板加工工艺改进措施

2.1 工艺方案改进

首先，分析零件的结构特点及工艺特性，确定加工流程、装夹方式等工艺方法，工艺方案设计的优劣直接影响零件后续加工过程中零件加工的稳定性和加工质量。

针对需双面加工的结构零件常用的有两种工艺方案，第一种是第一面直接粗、精加工到位，再加工第二面的方法，加工流程如图2所示。第二种是先分别完成第一面和第二面粗加工，再分别完成第一面和第二面精加工，粗加工阶段去除大余量，释放材料残余应力，再进行精加工，减小零件变形影响，加工流程如图2所示。对于零件轮廓尺寸较小且自身刚度较好的零件，一其般选用第一种方案加工，零件变形对加工过程的影响较小，且不影响最终的零件质量，腹板精度都能得到较好保证，而且可减少重复装夹次数，节约加工时间。对于零件轮廓尺寸较大的薄壁类零件，若采用第一种方案加工，在加工完第一面后，零件变形严重，腹板易发生翘曲变形，此时第二面尚未加工，很难通过校形工艺减小变形量，造成在后续第二面腹板加工的厚度不均匀，表面质量较差。通过反复的实际加工验证，薄壁类零件更适合采用第二种方案加工。

图2 零件加工工艺方案

其次，工艺方案要考虑加工过程中的刚度变化，尽量增加零件在加工过程中的刚度，就需要明确腹板与侧壁的先后加工顺序，这在薄壁件的加工中也至关重要。当零件结构本身刚度较好时，先加工腹板，还是先加工侧壁，零件加工中的刚度变化小，不影响侧壁和腹板的加工质量。而对于薄壁件来说，特别是需双面加工零件，由于腹板悬空，支承点少，在加工过程中要保证腹板的质量，必须保证零件有足够的刚度，所以一般来说，零件粗加工完后，应先精加工腹板，此时侧壁留有加工余量，零件刚度较好，可减少因零件刚度不足引起的加工变形加，最后精加工侧壁。

在实际加工中，根据实际条件及零件结构特点应综合利用上述几种方法制定腹板加工方案，以期达到最好的效果。

2.2 定位装夹工艺改进

1）定位方式

一面两孔的定位是生产中最常用的一种定位方式，其定位准确，结构简单可靠，装卸零件方便。目前我们采用的定位结构如图3所示，从理论上分析，圆柱销1限制X、Y方向的移动自由度，圆柱销2限制X方向移动和Z向转动的自由度，两个圆柱销重复限制了X方向移动的自由度，存在过定位，由于定位孔中心距和孔径存在制造误差，同一批零件很有可能发生圆柱销干涉，零件无法正常安装的情况。同时，在实际加工中，由于粗加工后零件变形量大，采用这种定位方式，加工后经常导致圆柱销取出困难，强行取出后第二次装夹和第一次装夹的偏差大，甚至没办法用原来的定位孔定位，零件后续加工工序不能正常进行。

为了消除X方向移动的过定位，并充分考虑零件变形的影响，可采取改变圆柱销形状和工装底孔形状的措施来解决问题。图4所示为把圆柱销2改成菱形销，图5所示为把工装底孔由圆形改成椭圆形，这两种方法都可以用来补偿X方向的孔中心距误差，保证零件重复装夹准确性和可靠性，同时减少加工过程中零件变形的影响。

图3 两圆柱销定位结构

图4 圆柱销和菱形销 定位结构

图5 两圆柱销带椭圆底孔 定位结构

2）装夹工艺

薄壁零件在加工过程中的刚度直接影响其加工质量，刚度不仅受到零件自身结构的影响，还与装夹工艺方案密切相关。一个好的装夹工艺方案不仅能提高零件在加工过程中的刚度，还能减少装夹变形。

从零件装夹方案考虑，提高零件加工过程的刚度有两种方法，一是使用填充物，在零件内部填充石蜡、石膏等物质来加固零件，这种方法虽然能起到一定作用，但是很不稳定，完全依靠操作者的加工经验，操作时间长，有时候加工完后会对零件有一定的腐蚀。二是增加支承面的接触面积，减小腹板悬伸长度，利用面积较大的腹板面作为支承面，可保证腹板面的加工质量。

对薄壁零件加工，装夹引起的零件变形不容忽视。压板和螺栓压紧是在夹具中采用最多的压紧方式之一，在现有的加工模式下，虽然零件上预留了压板压紧的凸台位置，但由于操作习惯不同，每次装夹压板的位置，压板悬伸长度，压板的数量都不完全相同，传递的压紧力大小也不同，导致同类零件的加工质量差别较大。为了避免压板压紧位置的不固定性，可采取下面两种方法进行改进。一是使用螺栓压紧，在零件和垫板上的规定位置预先制出压紧孔，二是使用专用夹具，在专用夹具上配置固定的压紧元件，每次装夹压紧的位置相对固定，保证零件装夹的一致性。与此同时，应注意压紧位置数量的分配，零件压紧位置布置越少，压紧零件所需局部压紧力越大，很容易在局部增大零件的变形，影响腹板加工质量。因此，在保证零件有足够压紧力的条件下，应增加压紧位置的数量，以减小单个压紧位置的压紧力，保证在整个零件上有均布的压紧力。另外，还需要注意压紧位置的选择，尽量选在刚度好的位置压紧，比如零件上有筋条相连的结构处。

在制定薄壁类零件的具体装夹工艺时 ，应综合效率和质量因素，充分考虑零件的压紧位置及数量，尽量均匀布置压板或螺栓，并适当增加压紧数量，减小单个压紧力，用以减小装夹引起的变形。因此，薄壁零件的装夹应优先选用专用夹具，准确的给出压紧位置，方便操作，获得稳定的装夹性能，一般选用真空吸附类夹具，腹板作为支承面，吸附面积大，产生的吸附力较小，分布均匀，可减小薄壁零件加工中的装夹变形，但为了保证装夹的可靠性，应采用均布的螺栓或压板进行辅助压紧。

2.3 切削刀具的选择

加工中产生的切削力是零件腹板变形的主要影响因素之一，而切削力的大小与刀具的结构、尺寸关系密切。刀具直径与刀具径向力有关，直径越大，径向力越大，而刀具底角R影响刀具轴向切削力，不同的底角R，轴向分力也不同，图6为刀具轴向分力示意图。腹板铣削加工时，在轴向切削力的作用下容易弯曲变形。

为了验证不同底角R对腹板加工质量的影响，我们对直径φ20mm，底角分别是R3,R1,R0.5三种规格的刀具在相同条件下进行切削试验，加工余量0.5mm，结果显示R3刀具加工表面接刀棱较深，R1刀具次之，而R0.5刀具加工后的表面接刀棱最浅。由此验证了刀具底角半径R越大，轴向作用力越大，加工表面质量越差。所以在进行薄壁零件腹板加工时，应尽量选择底角R较小的刀具，减小切削力的影响，保证腹板加工质量。

图6 轴向分力示意图

3 加工顺序及刀具轨迹优化

3.1 加工顺序

图7 多框零件腹板加工顺序

加工过程中优化腹板各区域的的加工顺序，可有效控制腹板的变形量，确定加工顺序的总体原则是在加工过程中最大限度的保持零件的刚度处在最佳状态，并先加工最薄弱的区域。根据材料力学原理，腹板加工工艺系统可简化为简支梁和悬臂梁模型，在简支梁的中部，悬臂梁的远端的变形最大，刚度较差，因此，在进行多框薄壁类零件腹板加工时应首先加工中间框腹板以及没有支承面或远离支承面的腹板区域，再加工外侧腹板面。图7为多框薄壁零件腹板加工顺序示意，按图示顺序号加工各框腹板，中间的腹板最薄弱，需最先加工，最后加工其余框的腹板，其中外侧的第4和17框为薄弱区域，也要优先加工，这样可有效提高加工过程中零件的刚度，减小加工振动影响。

3.2 刀具轨迹

腹板加工中，不同的刀具轨迹产生的切削力，以及对零件在加工过程中的刚度影响程度不同，产生的变形也存在差异。根据机床选择合理的刀具路径，能提高腹板的表面质量。

首先，选择合适的进刀方式，尽量采用沿轮廓的切向或斜向切入的方式缓慢切入零件，保证刀具轨迹光顺平滑。所以，薄壁零件的进刀优先采用螺旋或圆弧进刀，避免垂直进刀，使刀具逐渐切入零件，减小振动，刀具不会在工件表面的进刀处留下驻刀痕迹，从而获得较高的表面质量。实际定制轨迹时，也常使用斜线进刀，角度应尽量小。

其次，在切削过程中选择合适切削轨迹，腹板加工的走刀方式一般有两种，环切方式和行切方式。环切方式一般是从框的中间位置下刀，由中间向四周环切至侧壁，加工过程中都是顺铣，受力变化小，切削平稳，在实际加工中环切加工腹板的方式得到了很好的运用。而对于行切加工方式，大多数理论分析表明，该方式是顺铣和逆铣交互加工，腹板受力方向不断变化，容易引起振动，相邻刀轨之间的刀痕较深，表面质量不如环切方式好，也很少在腹板的精加工中运用。但是受到机床设备精度的影响，采用环切加工时，切削轨迹转向时主轴减速严重，在加工中出现短暂的停顿，使得在切削轨迹方向改变的位置留下圆形驻刀痕迹，影响腹板的加工精度，需要钳工打磨去除。针对该问题，我们在零件上进行了加工对比试验。

图8 腹板加工不同走刀轨迹产生的驻刀痕迹位置对比

分别采用环切和行切方式对腹板进行了加工试验，结果显示，环切方式加工时，在刀轨的对角线以及环间移刀位置均出现驻刀痕迹，几乎覆盖整个腹板，如图8(a)所示。行切方式加工后，仅在筋条根部留下一圈驻刀痕迹，若在行切后再增加一个清根的刀具轨迹，则整个腹板仅在零件转角处留下少量驻刀痕迹，如图8(b)所示。试验结果表明采用行切与清根结合的走刀轨迹可有效减少驻刀痕迹的出现。另一方面，对试验零件进行了粗糙度检查，实际测得腹板的粗糙度值在Ra3.2左右，而航空零件的表面粗糙度要求一般为Ra6.3,完全符合零件的粗糙度要求。根据试验结果，把行切加工方式成功应用到零件的腹板精加工中，获得了较好的效果。所以，在实际加工中，可根据机床精度要求，合理的选择行切加工轨迹，并具有一定的优势。

最后，优化刀具轨迹转向以及环间移刀的过渡形式，减小切削过程中的切削力突变。一般的程编软件中默认是直角的过渡形式，当刀具按一定的进给速度运动到此位置时，切削力会突然改变，不但影响刀具使用寿命，还降低了表面质量。因此，薄壁腹板加工中，所有刀轨应圆滑过渡，在转角处增加适当圆角，环间的移刀增加圆弧过渡，如图9所示，提高表面加工精度。

图9 刀具轨迹转角和环间移刀圆角过渡示例

4 结论

本文从机械加工工艺角度出发，分析了加工工艺方案，定位装夹工艺，刀具轨迹和加工顺序等对薄壁零件腹板加工质量的影响，并从这几个方面提出了改进措施，提高零件加工过程中的刚度，保证腹板的加工质量。结合理论分析结果，对薄壁零件的工艺方案，装夹工艺，刀具轨迹及加工顺序进行了改进，应用于薄壁零件实际加工，经过反复试验和加工验证，收到了良好的效果，有效提高了腹板的数控加工质量，减少了钳工对腹板的打磨。

[1] 汪通悦,何宁,李亮.薄壁零件铣削加工的振动模型[J].机械工程学报,2007,43(8):22-25.

[2] 高翔,王勇.薄壁零件精密数控铣削关键技术研究[J].机床与液压,2009,37(9):14-17.