1.序言
鋁合金薄框結(jié)構(gòu)件具有質(zhì)輕、抗壓和耐蝕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天零備件[1-3]，以達(dá)到降低機(jī)型整體質(zhì)量、提高飛行力等目的。但是由于結(jié)構(gòu)件體型大，表面質(zhì)量要求高，在機(jī)械加工中切削力與夾持力形成材料殘余應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致零件尺寸發(fā)生變化[4-7]，難以滿足產(chǎn)品特性要求。目前現(xiàn)有的加工方法需要采用高端高精密設(shè)備，降低切削量進(jìn)行多次走刀[8-10]，加工效率低且生產(chǎn)成本高。本文以某航空航天用外形復(fù)雜的高精度鋁合金薄壁件為例，根據(jù)零件的尺寸大小，設(shè)計(jì)帶有夾頭的毛坯，采用合理的工藝路線，將冷加工、熱處理和線切割等工序進(jìn)行有效安排，避免薄壁件產(chǎn)生應(yīng)力所導(dǎo)致的尺寸變化，對(duì)加工變形量進(jìn)行控制。
2.加工難點(diǎn)
薄壁件材質(zhì)為2D14高強(qiáng)度硬質(zhì)合金，整體體積相對(duì)較大且壁較薄，尺寸精度、幾何公差等要求較高。零件的銑削加工主要涉及型腔銑與輪廓銑，通過壓板胎、組合夾具與機(jī)床工作臺(tái)配合使用將零件進(jìn)行固定，零件加工后由于壓板等夾具夾持所引起的應(yīng)力釋放而導(dǎo)致尺寸超差。最終加工的薄壁件尺寸發(fā)生變化，無法滿足航空件高精度的特性要求。
3.工藝安排
3.1 整體工藝路線
根據(jù)零件外形特征及加工難點(diǎn)，對(duì)工藝順序進(jìn)行合理安排，其中涉及冷加工、電加工及熱處理相關(guān)知識(shí)與設(shè)備的運(yùn)用。整體工藝安排如圖1所示，零件外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 整體工藝安排
圖2 零件外形結(jié)構(gòu)
根據(jù)鋁合金薄壁件的外形特征，下料時(shí)左右兩端各留有夾頭30～50mm，夾持固定兩端夾頭，采用兩刃φ16～φ20mm硬質(zhì)合金刀具對(duì)毛坯進(jìn)行開粗，轉(zhuǎn)速為6000～7000r/min，單邊留有3～5mm余量。粗加工后的零件進(jìn)行第一次穩(wěn)定化時(shí)效處理，然后采用三刃φ10～φ16mm硬質(zhì)合金刀具對(duì)零件進(jìn)行半精加工，夾持兩端夾頭，修正外形及內(nèi)腔，單邊留有0.5～1mm余量。半精加工后的零件進(jìn)行第二次穩(wěn)定化時(shí)效處理，之后用壓板夾持兩端夾頭，采用三刃φ6～φ8mm硬質(zhì)合金刀具對(duì)零件進(jìn)行精加工，零件的外形及內(nèi)腔尺寸加工成形。零件型腔及輪廓加工完成后，采用電火花線切割去除兩端夾頭，由于線切割放電加工后薄壁件與夾頭處有線切割去除痕跡，因此為了保證薄壁件整體表面質(zhì)量的完整性，用細(xì)砂紙將零件線切割?yuàn)A頭處進(jìn)行拋光。在粗加工、半精加工與精加工時(shí)選用不同直徑的刀具，其中兩刃刀具可快速去除材料，三刃刀具可精修表面質(zhì)量，保證零件銑削表面無接痕，同時(shí)兩次熱處理可將冷加工時(shí)的材料應(yīng)力進(jìn)行釋放，非接觸式電火花線切割加工方法可有效避免機(jī)械加工時(shí)材料的殘余應(yīng)力和裝夾時(shí)材料的彈性變形所導(dǎo)致的尺寸變化。
3.2 熱處理
穩(wěn)定化時(shí)效處理的實(shí)施至關(guān)重要。第一次穩(wěn)定化時(shí)效，將粗加工后的工件放置入人工時(shí)效爐內(nèi)，加熱至250～290℃，保溫2～4h后進(jìn)行空冷。第二次穩(wěn)定化時(shí)效，將半精加工后的工件放置入人工時(shí)效爐內(nèi)，加熱至250～290℃，保溫1～2h，將零件進(jìn)行熱循環(huán)處理。其中鋁合金的熱循環(huán)處理步驟為將制件置于-70～-50℃的低溫容器中保持1～2h。為了提高熱循環(huán)處理的效果，可以在液氮中冷處理，冷處理的冷卻速度對(duì)熱循環(huán)處理沒有實(shí)質(zhì)性影響。制件冷處理結(jié)束后從低溫容器中取出，待形成的霜融化后，再放入加熱設(shè)備中加熱到規(guī)定溫度，或于50℃左右先烘干1～2h。如果由于工作條件限制，不能在干燥后立即加熱制件，則允許中斷不超過20h。制件加熱保溫結(jié)束后在室溫中冷卻，然后再放入低溫容器中，這里需要根據(jù)制件加工的要求選擇循環(huán)次數(shù)。
3.3 冷加工
鋁合金薄壁件在數(shù)控銑削加工時(shí)，為避免變形，將加工過程分為粗加工、半精加工及精加工3個(gè)階段。粗加工時(shí)，刀具轉(zhuǎn)速為6000～7000r/min，大轉(zhuǎn)速可以高效地去除材料，短時(shí)間形成零件整體輪廓，提高加工效率，同時(shí)在零件單邊留有3～5mm余量用于半精加工；半精加工時(shí)，刀具轉(zhuǎn)速控制在2000～2500r/min，小轉(zhuǎn)速可有效保證加工后零件表面粗糙度，同時(shí)可將加工的接刀痕進(jìn)行光亮處理，進(jìn)一步提高零件表面質(zhì)量，并控制單邊留有0.5～1mm余量用于精加工；精加工時(shí)，適當(dāng)降低刀具的轉(zhuǎn)速，控制刀具轉(zhuǎn)速為1500～1800r/min，將余量進(jìn)行去除并保證表面質(zhì)量。
3.4 電加工
鋁合金薄壁件型腔及輪廓加工完成后，零件的兩端留有工藝夾頭，為避免冷加工機(jī)械去除夾頭對(duì)薄壁件產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致產(chǎn)品變形，采用電火花線切割技術(shù)。電火花線切割加工屬于非接觸式放電加工，工具電極與工件之間不存在顯著的切削力，不會(huì)因機(jī)械變形而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。根據(jù)鋁合金性能，采用正極性加工方式（工件接正極，電極絲接負(fù)極），加工電流選擇3～5A，脈沖寬度選擇30～50μs，占空比為1∶7～1∶5。
電火花線切割加工后的工件與夾頭的接痕用細(xì)砂紙進(jìn)行打磨，保證薄壁零件表面整體的完整性，保證零件整體滿足航空航天高精度、高性能要求。
4.結(jié)束語
本文基于鋁合金材料的難加工特性，對(duì)外形復(fù)雜的高精度薄壁零件進(jìn)行工藝優(yōu)化。通過冷加工、熱處理和電加工等工種的合理安排，并根據(jù)粗加工、半精加工和精加工方式選擇不同的刀具和加工方法，有效保證了零件質(zhì)量及加工效率，擺脫了依賴高端機(jī)床的常規(guī)思維。經(jīng)實(shí)際加工驗(yàn)證，工藝路線整體布局合理，工序安排科學(xué)緊湊，不僅避免了零件機(jī)械加工尺寸變化，而且減少了工件周轉(zhuǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。
專家點(diǎn)評(píng)
文章以外形復(fù)雜的高精度鋁合金薄壁零件為例，根據(jù)零件的形狀和尺寸，重點(diǎn)優(yōu)化切削方法和裝夾方式，通過增加毛坯夾頭，采用合理的工藝路線，有效安排熱處理、冷加工和線切割等工序，選擇合適的刀具和加工方法，避免了薄壁件加工應(yīng)力導(dǎo)致的尺寸變化，為此類零件的變形量控制積累了經(jīng)驗(yàn)。
文章的亮點(diǎn)是轉(zhuǎn)變思路，另辟蹊徑，打破常規(guī)思維，繞開技術(shù)瓶頸。通過合理的工藝安排，逐步化解加工難點(diǎn)，在高精度鋁合金薄壁件加工中擺脫對(duì)高端機(jī)床的依賴，并根據(jù)零件外形特征，綜合運(yùn)用熱處理、冷加工及電加工相關(guān)知識(shí)，通過整體布局和工藝改進(jìn)，解決了復(fù)雜零件的加工變形難題。
