赵海瑞 郭岩
沈阳飞机工业（集团）有限公司 110850
摘要：本文介绍了某机型壁板类模锻零件的加工方案，描述了从工艺方案设计、工装设计、刀具选择、数控加工编程方法等几个方面来控制铝合金模锻零件的变形，并归纳总结了大型铝合金模锻件的数控加工编程经验，有较强的实践推广性和创新性。
关键词：模锻件，变形控制，数控加工编程，残余应力。
引言
铝合金模锻件因受限于材料成型技术，加工中产生的零件变形无法适应后续柔性装配需求。因此为满足先进飞机的高强度要求，解决模锻件在机加过程中产生的零件变形问题迫在眉睫。为了避免或减少这种由变形因素对产品质量带来的不利影响，有必要针对零件生产过程中造成工件变形的原因进行深入分析及广泛实践，掌握控制该类零件变形的有效方法，从而进行可行性的推广应用。本文仅以某机型壁板类模锻为例，对该类型模锻件的加工方案进行论证，进而探究出控制其变形的相关方法。
1、零件基本信息
该壁板类模锻零件材料牌号状态为7B04 T7452，外廓尺寸为680mm×610mm×110mm，零件腹板厚度为2～3mm，缘条厚度尺寸为2.5mm，零件中间有11处加强筋，侧面有1处6mm宽、2mm深的密封槽。具体零件部分结构简图见图1。
.png)
2、零件工艺性分析
2.1零件材料特性分析
零件材料属于高强度超硬形变铝合金，为Al-Zn-Mg-Cu系合金,是一种可热处理强化的铝合金。它具有比强度高、断裂韧性好、工艺性能优良等特点，其相应的化学成分为(重量百分比):5.7%Zn,2.3%Mg,1.43%Cu,0.2%Cr。其加热模锻的工艺特点是塑性较差、流动性差、粘附性大、模锻不易成型；并且对变形速度和变形程度十分敏感，随着变形速度的增加而急剧下降；锻造温度范围窄，始、终锻温度要求严格。[1]
2.2零件毛料分析
锻件经过淬火及人工时效处理后σb＝450～540MPa；由于金属晶体间的各向异性，锻造过程中由于各部分冷热收缩不均匀以及金相组织转变的体积变化，使毛坯内部产生了相当大的内应力。毛坯内应力暂时处于相对平衡状态，切削去除一些表面材料后就打破了这种平衡，内应力重新分布，此时加工后的零件就明显地发生变形。
2.3残余应力的成因分析
残余应力是指受工艺过程的影响，在没有外力作用的情况下，在零件内部所残余的应力彼此保持平衡，零件切削加工后各部分残余应力分布不均匀，使零件发生变形，影响零件的形状和尺寸精度。[2]其产生的原因可分为三种情况：
2.3.1不均匀塑性变形产生的残余应力
这种残余应力是零件在加工过程中最常出现的。当施加外载时，若零件的一部分区域发生不均匀塑性变形，卸载后该部分就产生残余应力；同时，由于残余应力必须在整个零件内达到自相平衡，致使零件中不发生塑性变形的那一部分区域也产生残余应力。
2.3.2热影响产生的残余应力
零件在热加工过程中常出现这种残余应力，这种残余应力是由于零件在热加工中的不均匀塑性变形与不均匀的体积变化而产生的。
2.3.3化学变化产生的残余应力
这种残余应力是由于从零件表面向内部扩展的化学或物理的变化而产生的，金属材料的化学热处理、电镀、喷涂等加工均属此例。
3、工艺方案设计
3.1零件加工设备及刀具的选择
.png)
选用高速机床的原因主要由于高速铣削具有以下优点：
（1）加工效率高。随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5～10倍。金属去除率可达到常规切削的3～10倍。同时机床快速空行程速度的大幅度提高，也减少了非切削的空行程时间，极大地提高了机床的生产率。
（2）切削力降低。在切削速度达到一定值后，切削力可降低30％以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于薄壁细肋等刚性差零件的精密加工。
（3）工件热变形减小。高速切削刀具热硬性好， 95％～98％以上的切削热被切屑飞速带走，工件可基本上保持冷态。
（4）已加工表面质量高。高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床－刀具－工件”工艺系统的固有频率范围，工作平稳振动小。
（5）有利于保证零件的尺寸、形位精度。
（6）能保证刀具和工件保持低温度，延长了刀具的寿命。在高速切削中切削量浅，切削刃吃刀时间短，进给比热传播的时间快。刀具和主轴上的径向力低。减少主轴轴承、导轨和滚珠丝杠的磨损，（7）对主轴轴承的冲击小。可以使用悬伸较长的刀具，振动风险小。
（8）加工成本大大降低。高速加工提高了加工效率和加工质量，减少了打磨修整工序。
3.2整体工艺方案制订
工艺方案简述：正面粗加工－反面粗加工－自然实效－铣定位基准面-正面精加工－反面精加工。该方案先进行了正反两面粗加工，可以有效释放内应力，使锻件的余量由不均匀变成正反两面留有均匀的余量，通过自然时效进一步释放零件加工所产生的内应力，在精加工之前重新铣平定位基准面已保证工装底板与零件腹板面尽可能贴合，最后再进行反面精加工时利用真空吸是零件加工状态更为平稳。
3.3工装的设计与处理
（1）确定零件加工定位基准：该零件加工定位基准确定为2－Φ16H9工艺孔及腹板表面；
（2）零件正、反面加工统一利用工艺孔定位，两侧压板设计成阶梯式下限压板，螺栓根部采用滑道式，可快速撤离压板；
（3）为了实现零件侧面通槽的数控加工，对零件铣夹的高度有了特殊的要求，夹具的设计高度高于C摆角60°后刀具中心到机床摆角机构下端面的距离以保证机床大摆角加工时机床不于夹具干涉；
（4）工装四周设可调节辅助支撑以保证零件粗精铣共用同一套铣夹，从而降低工装成本；
（5）最后一道工序工装底板设真空吸附装置，以降低零件加工过程产生的变形影响；
3.4数控程序的处理
（1）粗加工加工方式优化
采用多个槽腔同时加工相对于逐个槽腔进行加工，残余应力逐层得到释放，应力变化相比更加均匀，变形量较小。
（2）槽腔加工程序优化
原加工方案采用之字形反复加工槽腔的顺序；新方案采用回字形由内向外加工槽腔的顺序；
原程序加工后腹板面变形量约为0.4mm，新程序加工后腹板面变形量约为0.1mm，由此可以验证使用新的加工顺序零件内应力释放更为均衡；此外在精铣零件腹板面时采用Finishing指令，最后一层留0.3mm，由此可避免最后一层切削量较大引起的刀具震颤，进而保证了腹板面处的表面质量。
（3）零件缘条、筋条加工程序处理
对于零件高薄处筋条及缘条，试验了以下三种加工方式
①先进行一侧加工，待加工完毕后再加工另一侧；
②两侧同时进行阶梯等量切削；
③两侧同时进行阶梯不等量切削；
通过对比零件加工后筋条、缘条表面光度及几何尺寸，发现采用第③种加工方式实现的加工效果最为理想。
4、结论
我国在壁板类铝合金模锻件变形控制方面还处于初步阶段，和国外某些国家相比还有较大差距。作为一名基层技术人员，本文基于壁板类铝合金模锻件的高速加工，从工艺方案、程编策略及切削参数等方面对零件变形的影响进行分析与处理，成功解决了该类零件机加变形的瓶颈问题，得到了控制零件变形的有效手段，进而显著地提升零件的成品率及加工效率，降低了加工成本，同时拓展了类似零件的加工思路，对于其他模锻零件也有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 冯光明编著.模锻工艺对J11-40铝合金模锻件金属流线的影响《今日科苑》2008年第16期.
[2] 周泽华，于启勋编著.金属切削原理[M]上海：上海科学技术出版社.1994.