大型航空铝合金薄壁件的加工工艺探讨

龙秋萍

摘  要：针对大直径、薄壁半环形铝件加工过程中及卸装后严重变形、变形程度不一的困境，本文以7050-T7451（AMS4050）航空铝合金为载体，分析了致使零件在铣削加工过程中产生加工变形的主要因素，并提出相应的工艺技术方案，使铝合金零件的加工变形得到有效的控制，对此类零件的数控加工有一定的参考作用。

关键词：7050铝合金;薄壁件;铣削;工艺块;加工变形控制

1 引言

随着现代航空工业的发展，在飞机零部件中广泛使用具有复杂结构的铝合金整体件，如整体框、整体梁和整体壁板支撑环等。这类零件的共同点是尺寸大﹑壁薄、结构复杂、相对刚度低、精度要求高，目前大量采用数控铣削的加工方法生产，在加工过程中及卸装后极易产生变形，如何将其加工到合格的尺寸成为航空界的难题。

2 零件介绍与分析

工件尺寸结构如图1所示，外径为Φ2080mm，内径为Φ1936mm，壁厚为4mm，环形跨度为150°，筋板高度为40mm，槽深36mm，筋板上有大小不等的孔。毛坯采用7050铝合金轧制板材，在试件铣削加工过程中发现：零件易受切削力和切削振动的影响，产生加工变形和切削颤振，加工精度和表面质量无法有效保证;卸除装夹并充分冷却后，出现零件两端向内收缩0.8mm～1mm、零件外圆（R1040边）向上扭曲的现象，导致产品的尺寸精度及筋板与腹板的位置精度超差。工件尺寸大，刚性差，目前可借鉴的数控铣削技术手段缺乏。

3 零件材料特性及其切削加工性能分析

7050铝合金是一种高强度铝合金，强度、抗疲劳性、韧性和延展性等特性较好，其产品的性能够与锻造等其他材料形态的产品性能相媲美，主要应用于航天航空领域。

4 确定工装夹具、刀具控制零件在加工過程中的变形问题

因为零件壁薄，需要切除的余量较多，不同的刀具产生的外力不同。针对7050铝合金材料的特性，经过试验后，采用铝合金加工专用刀具，刀具材料为YG6，刃长42mm，螺旋角为45°，且前角后角选用较大。粗加工时选用直径为12mm的两刃键槽铣刀加工外形、直径为10mm的两刃键槽铣刀来加工槽口;精加工时为了使刀具受力均衡、提高表面质量，选用直径为8mm的4刃立铣刀。

5 工艺路线的规划

在加工过程中，毛坯初始残余应力、走刀策略、工件装夹、切削力、热变形及切削振动的影响使零件加工精度降低。故在设计加工工艺路线时，要考虑到以上因素。

由于材料切除量较大，必须采用粗加工—半精加工—精加工的工艺路线。通过多次反复分析研究，确定了数铣加工各工步顺序，形成了工艺步骤并严格按照其顺序进行加工，尽量消除以上因素对零件加工精度的影响。

粗加工：采用常规加工方式，用压板压紧工艺块，铣削外形及槽口，先加工Φ43的孔到22H7，然后翻转零件，粗铣筋板，给半精加工、精加工留出一定的加工余量6mm。

振动时效处理：在振动仪上进行振动时效处理，时效处理时间为8小时，消除一部分初始残余应力及加工过程中产生的应力，零件会产生单边3mm左右的变形，因为留有6mm 的余量，故可以使其得以修正，从而提高零件后续的加工精度。

半精加工：按照粗加工的流程，再进行一次半精加工，把Φ43的孔扩到32H7，留出精加工的余量3mm。高低温时效处理：工件经过高低温时效处理后可以提高其精密加工尺寸稳定性，方便最后的精加工。

精加工：按照半精加工的流程进行一次精加工后，拆卸压板。找正装夹自制工装，将零件安装在自制工装上，以3处孔来定位，因为有变形故需要槽口曲面进行修正，所以自制工装的凸台要求较高，配合的间隙控制在0.15以内，用压板垫以铜片进行压紧，去除工艺块然后分别加工内外圈圆弧和平面。

6 走刀策略及冷却方式的选择

为减小铣削力对零件加工变形的影响，加工时采用顺铣方式。精加工槽壁及筋板时，采用分布环切走刀形式，即在切削过程中，对称切除工件材料，使加工应力均匀。冷却液为水溶剂切削液，冷却时采用机床主轴的冷却系统与刀座的冷却系统相配合，主轴冷却系统对准零件，刀座冷却系统对准刀具切削刃，使加工部位得到快速充分冷却，以减小铣削时铣削热对零件的变形影响，冷却液对零件冷却时切忌时有时无，以避免刀具出现冷热交变而产生破裂现象。

7 结束语

该产品纵横比大、壁薄，为了保证该零件数铣加工过程的平稳及加工品质，控制加工变形量，本文从零件的材料特性及结构特点入手，着力改善零件加工工艺路线，调整工件装夹方案，优化走刀策略与加工顺序，在此基础上选取合理的刀具及切削参数，仔细调试，从而使零件的变形量得到了有效控制，满足了设计的要求。

参考文献

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