孙晓曼
沈阳飞机工业（集团）有限公司数控加工厂，辽宁省沈阳市 110000
摘要：本文基于现有的数控机床设备，针对某项大型铝合金壁板框类零件结构特点，经过两种工艺方案的分析对比、刀具轨迹的优化，确定行之有效的加工方案，有效地避免零件变形超差报废风险，提高零件的加工质量。
关键词：高速切削，数控技术，开口外缘，切削参数
引言
在飞机制造过程中，框类零件的制造是重要的组成部分[1]。框是飞机横向结构承力件，同时又是形成和保持机身径向外形的主要结构件，分布于机身和进气道。框类零件主要由与机身理论外形成等距的外形曲面、内形曲面、加强筋以及以框轴线为对称轴的双面（或单面）有凹槽的腹板组成。框类零件的制造技术的发展对提高飞机性能、加快飞机产品发展，降低飞机研制费用具有重要的意义。
高速加工技术以其无可比拟的优势，已成为世界制造业范围内倍受关注的前沿技术，高速加工通过提高切削速度和进给速度，极大地提高了加工效率，同时由于切削时切屑以较高的速度排出， 产生的热量少，切削力小，对零件的变形可以起到较好的控制作用[2]。因此，非常适合航空铝合金壁板类零件的加工。
1.零件简介
此零件是飞机上的支撑框，是飞机装配成型的首要工序零件。
1.1零件基本信息
零件尺寸：缘条最小厚度尺寸 2.5mm，高 43mm；腹板最小厚度尺寸 1.5mm。
1.2零件工艺性分析
1.2.1零件结构特点
零件结构为网格式壁板，槽腔多，外形双曲面，角度变化大，开闭角变化多，碎面多。
1.2.2零件加工难点分析
加工厚度尺寸难以保证。此零件为网格式壁板结构，超出70%的腹板存在下陷，厚度尺寸1.5mm，缘条最小厚度尺寸为2.5mm，缘条最高为43mm，加工厚度公差为±0.15mm，加工厚度尺寸难以保证；
零件外缘多处为开口结构，且外缘均为双曲面，曲率较大，不可作为直纹面加工，加工难度大；
零件由5个Φ8H9定位孔，孔位精度Φ0.1，最小孔间距为874.1mm，孔间距精度为±0.1mm， 加工精度高；
零件左右两侧对称开口外缘相对零件整体探出352.1mm，加工过程容易变形；
零件毛料金属去除量高达88.7%，零件易变性；
缘条开口端面与缘条面成楔形，加工过程中易切伤。
2.工艺方案的确定
2.1 高速切削加工的优越性[3]
壁板的高速加工是现时的一种发展趋势，因为高速加工可以带来高的生产效率，减少切削力， 提高加工精度和表面质量，降低生产成本等。
随着切削速度的提高，单位时间内材料切除率（进给量、切深、切宽的乘积，F×ap×ae）增加， 切削加工时间减少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。
切削速度对切削温度的影响较大，切削厚度对切削力的影响较大[4]。在高速切削加工范围内， 随切削速度提高，切削力随之减少，根据切削速度提高的幅度，切削力平均可减少30%以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工。
高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，大致在 90%以上，传给工件的热量大幅度减少，有利于减少加工零件的内应力和热变形， 提高加工精度。
2.2 原工艺方案分析
2.2.1 原工艺方案
① 粗铣零件内外形，腹板及侧壁均留1mm余量；②精铣筋高缘高及开口缘条过渡圆角；③精铣筋高；④ 精铣零件内形；⑤精铣腹板；⑥补铣内形残留；⑦行切外形转角；⑧钻定位孔至5‐Φ7.8；⑨铣孔；⑩精铣外形并切断。
2.2.2 原工艺方案存在问题
粗铣余量小。零件缘条厚度最小尺寸为2.5mm，高43mm，属于高薄筋条，零件刚性差，粗铣单边只留1mm余量，并未明显改善刚性，精铣时极易颤刀，产生超差报废零件。
加工顺序安排不合理。先精铣筋高，后腹板，难以保证腹板厚度；先内形后外形，外缘厚度和外形两者难以双全保证。腹板厚度及外形均会影响装配搭接关系。精铣外形前铣外形转角，余量大，切削用量大，容易产生研刀情况，影响产品质量。开口外缘圆角在外形之前，当行切圆角时，外缘端头余量大，进刀时容易产生扎刀，影响刀具寿命。
没有单独铣内形转角工步，精铣内形时，刀具在转角位置切削用量突然提高，容易产生颤纹， 影响产品表面加工精度。
2.3工艺方案确定
经对零件结构特点、技术要求、工艺性能分析，以及针对原方案中存在的问题，全面更改工艺方案，基于工厂现有机床设备条件，对方案进行最全面优化。
2.3.1 优化后的数控工艺方案
①粗铣零件内外形，腹板及侧壁均留2mm余量；②精铣腹板；③精铣缘高筋高、外缘开口端及圆角；④精铣援条内外形；⑤铣内形转角；⑥精铣内形；⑦补铣内形闭角残留；⑧补铣外形转角；⑨钻定位孔至5‐Φ7.8；⑩铣孔；?切断。
2.3.2 方案分析对比
对比原工艺方案，现工艺方案优势：
增加粗铣余量。若零件侧壁单边只留1mm余量，壁厚为4.5mm，精铣内形后侧壁为3.5mm，当精铣外形时，刀具在接近零件时零件容易发生震颤，零件表面粗糙度高，表面精度低。所以将粗铣单边余量增加到2mm，精加工时零件壁厚达到6.5mm，可以有效提升零件的刚性，避免发生颤纹，保证零件表面精度。
先精铣腹板后筋高。粗铣工步后，在零件真空吸附状态很好的情况下，进行精铣腹板，可以精确保证腹板厚度尺寸；在精铣腹板后精铣筋高，以腹板为基准，可以保证筋条高度尺寸。反之，若精铣腹板在筋高之后，保证腹板厚度尺寸难度较大。因为筋高尺寸公差较大，腹板厚度尺寸公差小，若筋高偏下差，则腹板厚度会超差。
将精铣外缘开口端面提前。如图1所示，原工艺方案中，外缘开口端是在精铣外形工步中最后，此时零件缘条内外形已经精铣到最终尺寸2.5mm，当精铣外缘开口端时，零件刚性极差，容易发生震颤，导致零件变形。
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精铣外缘开口端提前至缘条圆角之前。当行切缘条圆角时，若刀具进刀距离小，则容易扎刀， 刀具磨损严重；若长距离进刀，则需要较大的空间。缘条开口端精铣到位后再行切圆角时，进刀余量小，避免扎刀， 提高表面精度。
在高薄缘条处，内外形选择同步等高小切深加工。对比原方案一中内外形先后加工成型，环切缘条内外形的加工方式，缘条下部始终保持较大的厚度尺寸，零件刚性比较好，可以有效避免产生缠纹，降低零件变形的风险。
增加清铣转角程序，使零件各部位余量均匀，实现刀具等体积切削，不仅可以提高零件表面质量，还可以规避崩刀现象的发生。
结论
采用新的工艺方案进行数控高速铣床加工此零件，在加工过程中未出现工艺方案方面的中止、停滞等意外状况，整体加工方案比较流畅，数控加工完成后，从机床平台卸下零件，未发生明显的变形，进行测量机检测，未有超差，零件合格。
此外，球头刀行切内形闭角残留时，操作工人对刀后已增加较大刀轴补偿，但是依然有明显球头刀切削凹痕。球头刀的切削精度可以作为今后深入研究方向。
整体而言，针对壁板框类零件，改进后的新工艺方案可以有效的提高产品质量，同时加工效率显著提升，对其他零件工艺方案的确定具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1]黄晓明，铝合金航空整体结构件加工变形机理与预测研究[D].济南，山东大学，2015
[2]艾兴，高速切削加工技术[M].北京市，国防工业出版社，2004
[3]王明杰，航空铝合金零件铣削三维残余应力模型研究[D].河南理工大学，2014
[4]王振华，防锈铝合金弱刚度复杂结构件高速铣削工艺研究[M].南京，南京理工大学，2009