铝合金材质的支架类零件加工工艺分析与优化

王长阁+++马仑+++唐春丽

摘 要：航空工业是一个国家工业实力的重要体现。在航空设计制造领域，支架类零件是其中应用较多且加工难度较高的一类零件。尤其是在航空领域，铝合金是使用最多也是最为重要的一种材料，其相对钢铁而言尽管强度有所不足但是重量要比钢铁轻的多。铝合金材质的支架类零件在航空领域应用较多，但是由于支架类零件的壁厚较薄从而导致铝合金材质的支架类零件容易在加工的过程中产生变形，从而影响零部件的加工质量。文章在分析某铝合金材质支架类零件工艺性特点的基础上对其加工工艺进行了分析阐述。

关键词：铝合金材质；支架类零件；加工工艺

前言

复杂零部件加工是机械加工中的一项难题。以铝合金材质的复杂型腔薄壁支架类零件为例，其空间结构复杂加之其属于薄壁类零件，在加工的过程中极易变形。为确保此类铝合金材质的支架类零件的加工质量，在分析铝合金材质的支架类零件特点以及变形原因的基础上通过合理的加工工艺最大限度的控制其加工过程中的变形量，确保零部件的加工质量。

1 支架类零部件的特点

支架类零部件是在机械加工中较为普遍的一类零件，其多用于与其他功能零件的连接或是承受一定的疲劳应力的作用，因此在支架类零件的加工过程中对于精度的要求较高。但是其复杂的型腔结构及较高的形位公差要求对支架类零件的加工带来了不小的挑战。

2 铝合金材质的支架类零件加工中容易变形的原因分析

支架类零件其独特的結构使得其在加工的过程中容易产生变形，从而导致支架类零件在加工完成后个别工件出现尺寸超差的问题，尤其是铝合金材质的支架类零件在加工的过程中其所产生的变形情况更为明显。造成铝合金材质的支架类零件变形的主要原因是由于薄壁支架类零件在装夹时所受到的装夹力和高速铣削加工时机床对铝合金材质的支架类零件的冲击力都会使铝合金材质的支架类零件受到额外的附加力的作用。这些外加力的作用尽管在其所能承受的范围内但是却破坏了铝合金材质的支架类零件内部的应力平衡，当这些外加力超出了铝合金材质的支架类零件所能承受的弹性极限时将会使得铝合金材质的支架类零件产生加工形变。为确保铝合金材质的支架类零件的加工质量最大限度的降低因加工中所产生的应力集中而导致的加工变形缺陷，应当通过对铝合金材质的支架类零件加工中的残余应力进行分析并通过采取合理的加工工艺来消除铝合金材质的支架类零件加工中的残余应力以避免变形的产生。

3 铝合金材质的支架类零件的加工工艺分析

铝合金材质的支架类零件由于型腔结构的复杂性因此多采用数控加工中心来完成对于支架类零件的加工。以某型号铝合金材质的支架类零件为例，材料采用的是2A12T4，其形状复杂从而为零部件的加工带来了极大的困难与挑战。在此铝合金材质的支架类零件的加工中主要面临着3个方面的难点：（1）此零件的加工精度要求较高，零件的尺寸公差较小，且对加工完成后的铝合金材质的支架类零件的表面粗糙度部分区域要求达到Ra1.6？滋m剩余的区域粗糙度则要求达到Ra3.2？滋m，但是由于这一零部件的厚度仅为1.1mm，且深度较大，这类薄壁件在加工的过程中容易受到应力的作用而导致变形。（2）此类小型号的支架类零件其表面加工轮廓的深度最大可达32mm，但是此处的转接圆弧2为R2mm，深度和圆弧半径的比值达到了0.06且远远小于0.2的比值要求。针对上述问题在支架类零件加工工艺的编制中应当通过合理的方式予以解决。在铝合金材质支架类零件的加工中应当按照：粗车-粗铣-精车外圆-线切割-精铣等的顺序进行。在这一加工过程中，铣削加工时其中的重点也是难点加工环节，此零件选用德玛吉公司的160P机床进行数控加工，加工零点选在零件上表面的圆心，使用UGCAM完成对于加工程序的编制，在加工顺序上：首先完成零件上表面的加工，在加工上表面的过程中下面4个型腔仍然保持有良好的刚性，加工中所产生的冲击对于加工精度影响较低。完成了上表面的加工后对工件的下部的型腔和分布在周边加强筋上的耳进行精加工。为避免加工中冲击力过大而导致的加工变形问题在加工时选用小直径铣刀进行慢进给小切削量的加工，在加工时合理安排粗、精加工工序，并选用合理的装夹方法来控制加工变形量。使用留夹头装夹、粗铣释放变形、安排时效等的工艺来消除铝合金材质的支架类零件加工中所产生的变形。针对铝合金材质的支架类零件加工中所存在的第二个难点，在加工时通过磨制专用的加工刀具采用小切削量的加工方式，但是在试加工中发现工件表面留有明显的振刀纹，因此，在铝合金材质的支架类零件的加工中需要采用高速铣加工技术。

相较于以往的加工技术，高速铣通过主轴高转速（几千或是上万转）、高进给、小切削量的加工方式完成对于工件的切削加工。采用高速铣加工方式能够有效的缩短工件的加工时间、提高工件表面的加工质量，通过相关研究表明，高速铣加工方式能够在薄壁类零件中发挥出良好的加工效果。

本次加工中所使用的德玛吉公司的160P五轴加工中心其电主轴的最高转速高达16000r/min，在对铝合金材质的支架类零件进行加工时选用10000r/min的加工转速，进给深度选择每刀0.2mm，进给速度为4000mm/min，进给速度极快。选用此种加工工艺后所加工完成的零件与使用一般转速的加工零件进行对比后发现，采用高速铣削加工后提高了工件表面的粗糙度，一般转速加工中所存在的振刀问题消失不见，加工质量和加工效率得到了极大的提升。在铝合金材质的支架类零件加工工艺上由于采用了高速切削的方式，因此在加工编程上除了考虑刀轨无干涉无碰撞这一因素进行考虑外，还应当在加工编程中注意一下几点：（1）刀轨在加工中应当尽量保持平滑，避免运行轨迹突然变化，以免影响铝合金材质的支架类零件表面的加工质量。（2）在铝合金材质的支架类零件加工编程中应当最大限度的降低甚至与消除加工残区。（3）在编程中尽量避免多余空刀。（4）在铝合金材质的支架类零件高速铣削加工工艺的编制上应当尽量保持稳定的切削参数，避免参数突然变化对铝合金材质的支架类零件加工质量的影响。（5）在刀具切入工件时应当缓慢的切入避免高速切入从而对铝合金材质的支架类零件造成冲击。在进刀方式的选择上，垂直进刀能够最大限度的缩短进刀路径但是不足之处则是刀具的垂直进入会增大刀具在轴向的负载，这一负载的变化容易导致刀具发生偏斜从而影响刀具的加工质量和使用寿命，垂直进刀方式应当谨慎选用。切向进刀在高速加工时能够取得良好的加工效果常用于工件外进刀，斜向进刀在加工时能够使得刀具渐进切入工件，因此工件所承受的切削力较小比较适合于高速铣削的加工进刀。但是上述几种进刀方式在铣削时由于是单一方面施力加之刀轨不连续容易导致主轴振动从而影响加工质量，因此，在高速加工可以选择螺旋进刀方式来做好对于加工质量的优化。在铝合金材质的支架类零件加工工艺的编制中如能够按照上述要求完成加工工艺的编制将能够使其适应高速走刀且能够有效的降低主轴的振动和偏斜，从而极大的提高了工件在加工中的平稳性，有助于改善工件的加工质量。

上述某型铝合金材质的支架类零件由于加工难度高，在加工的过程中通过不断优化改进加工工艺现已完成了加工生产但是由于加工工序复杂因此加工周期和成本都较高。

4 结束语

铝合金材质的支架类零件是航空零部件中应用较多的一种工件形式，本文在分析铝合金材质的支架类零件加工特点的基础上改进加工工艺，使用高速铣削加工技术完成加工并取得了良好的加工效果。

参考文献

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