一种框类零件的组合加工工艺方法及程序优化

李 腾，杨雄飞，丁传东

（1.齐齐哈尔大学，黑龙江 齐齐哈尔 161000；2.航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150066）

数控加工技术是现代工业生产的重要手段之一，其特点是能实现复杂零件的加工、高精度加工、在线检测等功能，而实现这一系列功能的工具就是数控机床。

数控机床具有：加工精度高，质量稳定；能够实现复杂的运动，柔性好；加工生产效率高；减轻劳动强度、改善劳动条件；有利于生产管理等特点。

影响数控机床加工有两个重要因素：一是零件的工艺方法，另外一个是数控加工程序，两项因素直接影响零件的加工质量和效率、工人劳动强度。如何改善零件的加工质量，提高零件生产效率，降低工人劳动强度，满足飞机的交付进度，成了首要解决的问题。

文章以某型机中某结构框为例解决零件组合加工技术及数控程序优化工作的一些问题。

1 组合加工工艺方案的制定

1.1 原始的零件的加工方案

零件原始加工状态为零件单件加工，采用单件加工的真空夹具进行加工，零件在粗加工去量、精加工零件外形时经常需要倒换压板才能进行加工，并且真空吸附区域经常出现壁厚不均匀的状况，如不谨慎测量，经常容易出现超差品。

1.2 采用组合加工的零件加工方案

零件采用两件组合加工，减少了材料的用量。扩大真空吸附区域，使零件壁厚均匀，减少工人频繁测量的工作量，无需频繁倒换压板，外形可在第一坐标系的通用工装实现吸附状态。现利用工装中间三个螺栓孔进行压紧，进行加工，零件第二坐标系加工时外形压板仅起到辅助作用，当零件进行切断时压板拆除，无需重新进行安装。由于零件加工用机床为FIDIA机床，其主轴Y向形成仅有1100mm，介于该机床的局限性，原始工装保留作为零件钻孔使用，而新工装作为零件的加工工装使用。

图2 组合加工方案第二坐标系加工状态

1.3 两种加工方案的区别

（1）吸附作用面面积。单件加工时真空吸附区域小，而两件同时加工增加了真空吸附区域，增加大气压力力值，如果零件在理论状态下，零件安放在真空夹具上时，即使无真空吸附时也应完全贴合，但实际情况往往不是如此。金属零件在毛坯有余量去除时，本身破坏了金属材料内部的纤维，产生的应力变化造成零件的变形。零件已经发生变形时需要完全与工装贴合，就需外力作用使其达到该状态。

其中图3所示为零件两件加工时的真空吸附状态，图4为零件单件状态下的真空吸附状态。

图3 组合加工方案中真空吸附状态

图4 单独加工方案中真空吸附状态

（2）加工方案合理性。零件单件加工时，不利于数控机床的加工，适当增大零件的加工区域往往可以提高机床的加工效率，机床在加工区域较小时，机床频繁换向，机床加工速度始终都处于变化过程中，数控机床加工转角时，有一定的降速过程，走刀速度变慢，而两件同时加工时，可以形成一个较大的封闭腔，这样可以使机床走刀速度提升，充分发挥高速机床的特点。图5和图6分别为零件组合加工和单独加工时的加工状态。

图5 零件组合加工时的零件腔加工时的加工状态

图6 零件单独加工时的零件腔加工时的加工状态

（3）加工过程中装夹方式。组合加工方案降低了工人的劳动强度，两件组合加工后零件安放压板的区域增加，减少了零件加工过程中调整零件及倒换压板的工作，不需频繁调整，降低劳动强度。

1.4 零件数控程序的加工

零件数控加工程序编制过程中首先考虑零件的装夹方式，该零件数控加工过程中由于是两件组合加工，因此零件装夹时可利用中间区域增加螺钉进行压紧，零件精加工时为防止零件侧壁震动可适当增加压板进行辅助压紧，同时还可以充分保证零件的加工尺寸要求。当零件经加工结束后，可将零件压板去除，零件切断时也不需要压紧，直接切断可以完成零件的加工。图7所示为辅助压紧，图8为切断压紧。

图7 组合加工方案的辅助压紧示意图

图8 组合加工方案的切断压紧示意图

2 数控程序的优化方案

2.1 粗加工过程中的优化

粗加工过程中为使零件充分变形，首先在加工零件过程中应考虑刀具对零件变形量的影响，其次经过试切过程中观察零件粗加工结束后的零件变形量，最终确定零件的粗加工留量尺寸，避免粗加工留量的过大或者过小，粗加工留量过大涉及到零件后续加工中持续变形量增大，留量过小会造成零件精加工时部分区域出现加工缺陷，根据零件的加工试验，零件整体留量2mm。零件粗加工时零件正反两面都进行留量处理，经过自然时效或者人工时效的方式进行处理，让零件充分变形后，对零件后续进行加工。

2.2 精加工过程的优化

零件粗加工结束后零件经过时效处理，已经充分变形，经过试验零件变形的方式为U型，需要将零件的底面铣平面，作为零件加工的基准面，加工结束后进行装夹，进行整体的精加工。精加工需要注意的几点问题：

（1）零件加工过程中为避免零件转角R过渡的过程中，由于机床的惯性作用使的R角区域出现过切，此情况在零件程序进行仿真分析时不会出现，在实际加工过程中会出现，同时在此加工过程中，转角区域表面光度不好，经常需要人工进行打磨处理。为避免此情况的发生，在程序编制过程中根据零件转角R的公差，需要编制工艺辅助线，将转角R值加大，一般加大0.1mm便可以避免刀具直接成型R角，同样的区域处理的方式很多，但是不建议更改小于转角直径的刀具进行加工，因为，刀具越小加工过程中的震动越明显，更不利于零件质量的保证。

图9 工艺辅助线加工的零件轨迹示意图

（2）对于航空零件的结构来讲，零件一般壁厚较薄，加工中零件震动明显，表面光度不好，并且极容易超差，为了避免此类情况的发生，采用错层加工的方式进行零件的加工，可以很好的控制零件加工的震动问题。

这里所使用的是错层加工的方式，错层加工主要是通过零件不对称的切削方式，增加零件壁厚的刚性，减少因震动造成零件加工表面的缺陷（如图10所示）。

图10

错层加工过程中，需要根据加工对象的高度来进行调节错层的层差深度，若零件高度较小，错层加工的优势就会降低，不如使用常规的加工方式，让加工效率、质量均有所保障，根据长期的加工经验，一般高度小于20mm，壁厚在1.5mm以上不推荐使用此方法，因此零件高度较大且壁厚较薄时为保证零件的加工质量，一般选择为精加工切削深度的50%作为层差，这样可以增加零件单侧加工的支撑强度，选择错层加工减少震动是其中一个优势，另外优点在于，零件不对称加工时，利于切削热释放，因为错层加工属于不对称切削，且为立筋两侧按顺序去除余量，与粗加工中的对称加工效果类似，可以减少因切削热量引起的零件变形。

如图11，零件加工的顺序为1-2-3-4-5-6-7-8，加工过程中所有未加工的区域对在加工区域都起到了一定的支撑作用。在根部的余量保证最终一致，根部的刚性较好，可一次加工完成，不需在进行其它余量的调节。此种方式加工的空行程较多，一般建议在高速机床应用，对加工效率的损失相对较少。

图11 错层加工方案示意图

但是此处需要注意的是，零件粗加工结束后直接进行精加工，这样可以将零件粗加工时形成材料冷作硬化区域直接高速去除，主要是因为零件粗加工时为提高加工效率一般都采用低速度走刀，提高零件的切削效率，往往此种走刀方式会产生大量的切削热停留在半成品零件的表面，由于热的作用造成零件的表面有冷作硬化区，而高速切削时70%的热量时由切削带走，而零件受温度影响较小，同一区域粗、精加工先后进行，有利于零件的变形控制。零件错层加工时不需要建立工艺模型仅需要简单调整及可，见图12。

图12 错层加工策略设置

2.3 零件的加工提效

数控发展至今，设备的不断更新，对于零件的加工要求有了很大的变化，原有的零件加工方法有很大的参考价值，但是已经不能完全适应飞机生产的需要，因此提高零件的质量及生产效率成为了当前重要的研究课题，该零件的原始加工状态中主要时应用了一些专用刀具进行加工，这样无形之中增加了零件的成本，优化后的零件大部分刀具采用常规硬质合金刀具，其优点是锋利、耐用，避免由于长期加工零件时刀具磨损造成的零件超差或者需要经常更换刀具造成的时间损失。并且零件的加工效率及表面质量都有所提升，原零件加工的时间为单件16小时数控加工完成，后续需钳工大量打磨修理约2小时，优化后零件的实际加工时间为1件8小时，钳工修理时间所减至0.5小时，零件总体加工提高效率约200%，并且零件加工的合格率为99%。充分满足了零件铆接的进度要求。

2.4 降低消耗

该零件原状态加工时选用材料大小为1146mm×320mm，定额重量92.25kg，零件工艺方案完善后所用材料为1210mm×530mm/（2件），定额重量为80.8kg，节省材料定额11.45kg/件。

2.5 直接经济收益（估算）

8小时（节省工时：单件）×800元/小时（机床小时费率）=6400元

1.5小时（节省工时：单件）×160元/小时（人工小时费率）=240元

11.45kg×80元/kg（按国产铝板估算）=916元

合计6400元+240元+916元=7556元（估算单件节省费用）

3 结语

零件优化过程中主要是结合了零件的自身特点，旋转零件的过程中，两件几乎对称，可用此种方法进行加工，并且零件加工过程中，由于单件加工时真空夹具吸附区域较小，经常出现零件与腹板贴合区域尺寸不固定，造成零件加工中的故障。零件所用材料组合加工后可以适当进行缩减，并不影响零件的整体新方案进行加工。但是零件采用此中方法加工时，主要问题存在于如过零件装配过程中单件出现报废品情况时，补制比较困难，零件投产只能两件同时进行，如果需单件补加工时，需将零件材料恢复至原始单件加工的状态下才能进行加工。

随着经济的进步和科学技术的发展，特别是航空产品日趋精密、复杂；产品的升级、换代加快，改型频繁，因此企业要求发展，就必须更广泛、高效地应用数控加工技术，而怎样提高数控加工的质量及效率也成为数控加工中的问题。

文章以某型机某框类零件为例介绍了组合加工技术在批生产机型中的应用，以及零件数控程序的优化提效，并将零件的加工过程的工人劳动强度降低，提高零件按的加工质量。