大型航空鋁合金薄壁件的加工工藝探討獲獎科研報告

大型航空鋁合金薄壁件的加工工藝探討獲獎科研報告摘

要：針對大直徑、薄壁半環(huán)形鋁件加工過程中及卸裝后嚴(yán)重變形、變形程度不一的困境，本文以7050-T7451（AMS4050）航空鋁合金為載體，分析了致使零件在銑削加工過程中產(chǎn)生加工變形的主要因素，并提出相應(yīng)的工藝技術(shù)方案，使鋁合金零件的加工變形得到有效的控制，對此類零件的數(shù)控加工有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：7050鋁合金;薄壁件;銑削;工藝塊;加工變形控制

1引言

隨著現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展，在飛機零部件中廣泛使用具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金整體件，如整體框、整體梁和整體壁板支撐環(huán)等。這類零件的共同點是尺寸大﹑壁薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相對剛度低、精度要求高，目前大量采用數(shù)控銑削的加工方法生產(chǎn)，在加工過程中及卸裝后極易產(chǎn)生變形，如何將其加工到合格的尺寸成為航空界的難題。

2零件介紹與分析

工件尺寸結(jié)構(gòu)如圖1所示，外徑為Φ2080mm，內(nèi)徑為Φ1936mm，壁厚為4mm，環(huán)形跨度為150°，筋板高度為40mm，槽深36mm，筋板上有大小不等的孔。毛坯采用7050鋁合金軋制板材，在試件銑削加工過程中發(fā)現(xiàn)：零件易受切削力和切削振動的影響，產(chǎn)生加工變形和切削顫振，加工精度和表面質(zhì)量無法有效保證;卸除裝夾并充分冷卻后，出現(xiàn)零件兩端向內(nèi)收縮0.8mm～1mm、零件外圓（R1040邊）向上扭曲的現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品的尺寸精度及筋板與腹板的位置精度超差。工件尺寸大，剛性差，目前可借鑒的數(shù)控銑削技術(shù)手段缺乏。

3零件材料特性及其切削加工性能分析

7050鋁合金是一種高強度鋁合金，強度、抗疲勞性、韌性和延展性等特性較好，其產(chǎn)品的性能夠與鍛造等其他材料形態(tài)的產(chǎn)品性能相媲美，主要應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域。

4確定工裝夾具、刀具控制零件在加工過程中的變形問題

因為零件壁薄，需要切除的余量較多，不同的刀具產(chǎn)生的外力不同。針對7050鋁合金材料的特性，經(jīng)過試驗后，采用鋁合金加工專用刀具，刀具材料為YG6，刃長42mm，螺旋角為45°，且前角后角選用較大。粗加工時選用直徑為12mm的兩刃鍵槽銑刀加工外形、直徑為10mm的兩刃鍵槽銑刀來加工槽口;精加工時為了使刀具受力均衡、提高表面質(zhì)量，選用直徑為8mm的4刃立銑刀。

5工藝路線的規(guī)劃

在加工過程中，毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、走刀策略、工件裝夾、切削力、熱變形及切削振動的影響使零件加工精度降低。故在設(shè)計加工工藝路線時，要考慮到以上因素。

由于材料切除量較大，必須采用粗加工—半精加工—精加工的工藝路線。通過多次反復(fù)分析研究，確定了數(shù)銑加工各工步順序，形成了工藝步驟并嚴(yán)格按照其順序進行加工，盡量消除以上因素對零件加工精度的影響。

粗加工：采用常規(guī)加工方式，用壓板壓緊工藝塊，銑削外形及槽口，先加工Φ43的孔到22H7，然后翻轉(zhuǎn)零件，粗銑筋板，給半精加工、精加工留出一定的加工余量6mm。

振動時效處理：在振動儀上進行振動時效處理，時效處理時間為8小時，消除一部分初始?xì)堄鄳?yīng)力及加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，零件會產(chǎn)生單邊3mm左右的變形，因為留有6mm的余量，故可以使其得以修正，從而提高零件后續(xù)的加工精度。

半精加工：按照粗加工的流程，再進行一次半精加工，把Φ43的孔擴到32H7，留出精加工的余量3mm。高低溫時效處理：工件經(jīng)過高低溫時效處理后可以提高其精密加工尺寸穩(wěn)定性，方便最后的精加工。

精加工：按照半精加工的流程進行一次精加工后，拆卸壓板。找正裝夾自制工裝，將零件安裝在自制工裝上，以3處孔來定位，因為有變形故需要槽口曲面進行修正，所以自制工裝的凸臺要求較高，配合的間隙控制在0.15以內(nèi)，用壓板墊以銅片進行壓緊，去除工藝塊然后分別加工內(nèi)外圈圓弧和平面。

6走刀策略及冷卻方式的選擇

為減小銑削力對零件加工變形的影響，加工時采用順銑方式。精加工槽壁及筋板時，采用分布環(huán)切走刀形式，即在切削過程中，對稱切除工件材料，使加工應(yīng)力均勻。冷卻液為水溶劑切削液，冷卻時采用機床主軸的冷卻系統(tǒng)與刀座的冷卻系統(tǒng)相配合，主軸冷卻系統(tǒng)對準(zhǔn)零件，刀座冷卻系統(tǒng)對準(zhǔn)刀具切削刃，使加工部位得到快速充分冷卻，以減小銑削時銑削熱對零件的變形影響，冷卻液對零件冷卻時切忌時有時無，以避免刀具出現(xiàn)冷熱交變而產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。

7結(jié)束語

該產(chǎn)品縱橫比大、壁薄，為了保證該零件數(shù)銑加工過程的平穩(wěn)及加工品質(zhì)，控制加工變形量，本文從零件的材料