1 引言

    數(shù)字化加工技術(shù)有著與傳統(tǒng)加工方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，使得飛機(jī)結(jié)構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)性較以往有大幅度提升。然而，一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求較高且有協(xié)調(diào)關(guān)系的承力構(gòu)件在加工時(shí)還采用傳統(tǒng)的加工方式。雖然該種方式在一定程度上取得了一定效果，但它很難保證復(fù)雜零件加工精度及加工周期。采用現(xiàn)代高速加工技術(shù)（High－Speed Machining，HSM）在航空復(fù)雜模鍛件的應(yīng)用還屬于探索階段，沒(méi)有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)此，探索出一套科學(xué)可行的加工方案勢(shì)在必行。

2 零件工藝分析

    某型飛機(jī)懸掛支臂梁是機(jī)翼與機(jī)身連接的主要承力構(gòu)件之一，對(duì)機(jī)體傳力規(guī)律有重要影響。部件對(duì)接時(shí)按該零件上的交點(diǎn)孔、耳片端面作為定位基準(zhǔn)；零件上待加工面多且尺寸復(fù)雜，不規(guī)則凹槽較多，配合協(xié)調(diào)位置精度要求高，加工難度較大（見(jiàn)圖1）。該零件外廓尺寸最大為860mm×186mm×150mm，零件緣條厚度尺寸分別為2.5mm、5mm、6mm、8mm，支臂上腹板厚度尺寸分別為6mm、8mm、9mm、10mm，厚度尺寸的加工公差為0－0.5mm（見(jiàn)圖1）。

圖1 某型飛機(jī)復(fù)雜模鍛件軸側(cè)視圖

2.1 零件的材料狀態(tài)

    該零件毛料為模鍛件，材料牌號(hào)為7B04 T73，7B04合金是Al－Zn－Mg－Cu系變形鋁合金，也是高純合金（Fe含量為0.05%－0.25%，Si含量不大于0.1%）。它具有較高的塑性何斷裂韌性，且抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力較好。7B04合金的半成品只能以T6、T74、T73狀態(tài)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中。其中，T6狀態(tài)合金強(qiáng)度最高，T74狀態(tài)合金具有良好的抗剝落腐蝕性能和較好的耐應(yīng)力腐蝕性能，強(qiáng)度比T6狀態(tài)的低約7%－10%。T73狀態(tài)時(shí)合金具有高的耐應(yīng)力腐蝕性能和抗剝落腐蝕性能，強(qiáng)度比T6狀態(tài)的低約12%－15%。7B04合金和所有的高強(qiáng)度合金相同，對(duì)重復(fù)載荷、尖缺口、應(yīng)力集中和偏心的作用、剛性的突變較為敏感。因此，在加工這些合金的零件和制件時(shí)必須仔細(xì)考慮其結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀（選擇最小的應(yīng)力集中，在零件截面變化時(shí)選擇較大的平滑過(guò)渡，降低偏心率）。機(jī)加工表面的內(nèi)過(guò)渡半徑應(yīng)根據(jù)截面尺寸來(lái)選擇，但材料厚度應(yīng)不小于2mm；當(dāng)該半徑小于2mm時(shí)，零件的拉伸強(qiáng)度會(huì)明顯降低。一般半徑應(yīng)大于3－4mm，零件轉(zhuǎn)接部位加工中要求光滑過(guò)渡不能出現(xiàn)尖點(diǎn)等現(xiàn)象。

2.2 零件的技術(shù)要求

    支臂上耳片厚度公差要求+0.20mm；支臂與拉桿連接耳片孔中心線與襟副翼轉(zhuǎn)動(dòng)軸線孔中心線的平行度公差0.05mm；分別與耳片的垂直度公差0.05mm；孔的加工精度分別為M7、H7；支臂與拉桿連接耳片孔的同軸度公差為Φ0.025mm；襟副翼轉(zhuǎn)動(dòng)軸線孔的同軸度公差為Φ0.025mm；襟副翼外側(cè)前、后上掛點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線孔的同軸度公差Φ0.025mm；耳片孔的加工精度為M7；零件共有3處非開(kāi)敞區(qū)的襯套端面距離要求控制公差H11；襟副翼外側(cè)操縱搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸線孔的同軸度公差Φ0.025mm；孔的加工精度為M7。

2.3 零件的加工難點(diǎn)及檢測(cè)方法

    由于零件毛坯為模鍛件，加工過(guò)程中需要依據(jù)鍛造基準(zhǔn)協(xié)調(diào)加工余量。其加工難點(diǎn)主要有：①加工過(guò)程中裝夾、定位不方便將影響零件加工效率；②加工中的變形影響零件的加工精度；③零件的外形復(fù)雜、裝配協(xié)調(diào)關(guān)系多對(duì)數(shù)控加工工序的安排及數(shù)控加工程序的合理性要求較高；④零件上耳片槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度尺寸公差要求嚴(yán)，需要擺角精度高的大擺角數(shù)控機(jī)床；⑤零件緣條上通槽的數(shù)控加工比較困難，需要在實(shí)踐中探索加工經(jīng)驗(yàn)及合理的數(shù)控編程方法；⑥零件上有裝配協(xié)調(diào)關(guān)系的孔的尺寸公差及形位公差要求較嚴(yán)格，因此零件的銑夾及鉆模的定位基準(zhǔn)要可靠并且要求一致。

    考慮到該復(fù)雜零件外形加工容差為±0.2mm，故采用數(shù)字量傳遞方法。根據(jù)從工程數(shù)據(jù)集中采集的零件外形點(diǎn)位數(shù)據(jù)，由數(shù)控測(cè)量機(jī)按零件外形點(diǎn)位數(shù)據(jù)對(duì)零件外形進(jìn)行檢測(cè)。

3 零件加工方案的設(shè)定及編程方法

    零件從毛料到成品的整個(gè)加工過(guò)程中，合理的工藝方案設(shè)計(jì)是零件交付的關(guān)鍵。而工藝過(guò)程設(shè)計(jì)則主要從零件分析、加工過(guò)程分析、工裝（包括刀、量具）分析入手。三者相互關(guān)聯(lián)、相互制約，都對(duì)最終成品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率產(chǎn)生直接影響。

    零件在加工過(guò)程中，加工方案的論證是重要的環(huán)節(jié)之一，其側(cè)重點(diǎn)是零件分析的結(jié)果、零件毛坯的選擇形式、加工單元的實(shí)際生產(chǎn)能力與技術(shù)水平、工裝選擇、加工設(shè)備精度與狀況等方面。

    加工方案設(shè)計(jì)最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)主要包括以下幾方面：①刀、量具及工裝的選擇；②零件毛坯形式的選擇；③數(shù)控機(jī)床型號(hào)的選擇；④加工過(guò)程可控，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效；加工過(guò)程實(shí)現(xiàn)全數(shù)字量傳遞，數(shù)字化加工及數(shù)字化檢測(cè)；⑤無(wú)常規(guī)補(bǔ)加工；⑥數(shù)控加工程序合理、高效，運(yùn)行時(shí)到達(dá)無(wú)人干預(yù)狀態(tài)。

3.1 零件加工方案的設(shè)定

    分析以上零件可知，毛坯加工余量不穩(wěn)定、零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工設(shè)備的擺角結(jié)構(gòu)及精度要求高、零件高速銑加工的工藝過(guò)程及加工程序要求合理高效、零件有裝配協(xié)調(diào)關(guān)系的孔的尺寸公差及形位公差要求嚴(yán)。故加工方案的設(shè)定必須圍繞如何解決這些影響零件加工的主要因素進(jìn)行。

    （1） 零件毛坯形式的選擇

    為了提高零件的加工效率，將該鍛件毛坯狀態(tài)進(jìn)行了更改。鍛件毛料在出廠時(shí)，刻出零件加工基準(zhǔn)工藝孔的中心十字線。零件加工中直接按此工藝孔中心十字線找正并直接設(shè)置數(shù)控加工原點(diǎn)，加工中無(wú)需再協(xié)調(diào)加工余量。同時(shí)零件毛坯外緣增設(shè)用于零件裝夾的工藝耳片，零件毛坯狀態(tài)如圖2所示。

圖2 零件毛坯狀態(tài)

（2） 工藝裝備的選擇

    為了滿足零件復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)控高速銑加工并提高加工效率，銑夾選用拼裝銑切夾具與專用銑切夾具相結(jié)合的方式（見(jiàn)圖3）。該拼裝銑切夾具按毛料上的零件工藝孔中心十字刻線設(shè)置定位基準(zhǔn)，并且實(shí)現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床上的快速定位。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)緣條通槽的數(shù)控加工，對(duì)零件銑夾的高度有特殊的要求，即要求夾具的高度高于A擺角90°，后刀具中心到機(jī)床擺角機(jī)構(gòu)下端面的距離以保證機(jī)床大擺角加工時(shí)機(jī)床不與夾具產(chǎn)生干涉。

圖3 零件在銑夾上的定位

    同時(shí)，為了保證該零件上耳片上的孔同軸度要求，設(shè)計(jì)專用鉆檢模（見(jiàn)圖4），用于精度高、裝配協(xié)調(diào)關(guān)系多的交點(diǎn)孔的加工?？紤]到工序傳遞的一致性，專用鉆檢模的定位基準(zhǔn)與專用銑夾一致，均選用了2－Φ12H9工藝孔及緣條端面。

圖4 專用鉆檢模

    （3） 零件加工設(shè)備的選擇

    在充分分析現(xiàn)有加工條件的基礎(chǔ)上，零件用數(shù)控普通三坐標(biāo)機(jī)床（行程2032×800×700，主軸功率15kW）粗銑零件內(nèi)、外形同時(shí)筋高、腹板到位；數(shù)控五坐標(biāo)高速銑機(jī)床（行程8000×3000×1000，主軸功率：40kW）精銑零件內(nèi)、外形、耳片槽及緣條通槽。機(jī)床擺角結(jié)構(gòu)為A、C擺角。A角為叉式擺角，擺角范圍為±110°，C角為旋轉(zhuǎn)擺角，擺角行程為±360°。

    （4） 零件加工余量的選擇

    該零件的毛料重量約為17kg，實(shí)體理論重量為2.73kg，金屬去除率高達(dá)84%，如此大的切削余量，必須合理地安排切削過(guò)程，并能有效地控制零件變形。同時(shí)，為了保證高速銑加工過(guò)程中切削力均勻，須利用三坐標(biāo)機(jī)床去除因拔摸斜度造成的鍛件大余量部位保證零件精加工的余量均勻。在粗加工和半精加工之后分別安排了兩次校正工序，修正因機(jī)械加工導(dǎo)致鍛件內(nèi)部應(yīng)力釋放不均勻?qū)α慵矫娑鹊挠绊憽＞庸だ梦遄鴺?biāo)高速銑加工，以提高零件加工質(zhì)量減小變形量。在加工余量的分配上，半精加工余量3mm，精加工余量1.5mm。

    （5） 零件工藝方案

    加工步驟為：毛料檢驗(yàn)→劃線（以模鍛件帶十字刻線為基準(zhǔn)協(xié)調(diào)余量劃出支臂軸線）→鉆鉸2個(gè)Φ12H9工藝孔→粗銑一側(cè)腹板及緣條端面→粗銑一側(cè)支臂內(nèi)外形→粗銑另一側(cè)腹板及緣條端面→粗銑另一側(cè)支臂內(nèi)外形→校正→半精銑支臂一側(cè)內(nèi)外形（留有精加工余量）→半精銑支臂另一側(cè)內(nèi)外形（留有精加工余量）→校正→高速銑切支臂外形→高速銑切支臂一側(cè)內(nèi)形、端頭耳片、緣條通槽→高速銑切支臂另一側(cè)內(nèi)形、端頭耳片、緣條通槽并鉆制各底孔→鉗工修整加工表面→測(cè)量、特檢→表面處理→按鉆模擴(kuò)、鉸所有配合孔→零件襯套裝配→修合襯套端面→檢驗(yàn)各槽口尺寸公差→精加工各襯套孔→零件標(biāo)識(shí)→零件終檢交付。

3.2 零件高速銑加工的編程方法

    高速加工（HSM）技術(shù)于20世紀(jì)末興起，由于顯著增大了切削速度和進(jìn)給速度，從而大大縮短了加工時(shí)間，提高加工進(jìn)度。它采用高轉(zhuǎn)速、快進(jìn)給、小切深的切削方式來(lái)完成零件加工過(guò)程。與普通切削加工相比，高速加工具有以下優(yōu)點(diǎn)：零件的切削加工時(shí)間短，縮短生產(chǎn)周期；切削力降低，背向力小，有利于加工薄壁、細(xì)長(zhǎng)等剛性差零件；工作平穩(wěn)，可加工高精密零件，表面殘余應(yīng)力小；大量的切削熱被切削帶走，零件保持冷態(tài)，降低了加工中的熱變形。

    因此，高速切削加工不僅可以獲得極高的生產(chǎn)效率，而且還可以顯著提高零件的加工精度和表面質(zhì)量。上述優(yōu)點(diǎn)是解決模鍛件加工中變形、提高加工效率和加工質(zhì)量的有效方法。同時(shí)零件的高速加工對(duì)編程的方法也有較高的要求。故針對(duì)該復(fù)雜模鍛件零件的特殊結(jié)構(gòu)采取了如下編程方法：

  （1） 零件外形的處理

    特殊高度夾具的使用為刀具底刃高速行切外形奠定了條件，避免了使用刀具側(cè)刃加工外形時(shí)因刀具過(guò)長(zhǎng)而無(wú)法正常高速加工的問(wèn)題，同時(shí)也避免了側(cè)刃五軸加工時(shí)可能出現(xiàn)的程序C角跨象限的現(xiàn)象，保證了加工時(shí)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)剛性和高速加工時(shí)機(jī)床C角擺動(dòng)對(duì)機(jī)床剛性的損壞。高速切削工件時(shí)，工件將對(duì)刀具產(chǎn)生一定的反作用力，因此，進(jìn)刀時(shí)采用了沿輪廓的切向切入的方式切入工件，保證了恒定的切削載荷，確保了加工安全并延長(zhǎng)刀具的使用壽命。加工程序采用CATIA V5編程方式中的Sweeping定擺角分層刀具底刃行切，零件外形程序加工軌跡如圖5所示。

圖5 零件外形程序加工軌跡

 （2） 零件緣條及槽的處理

    加工零件緣條及通槽時(shí)采用了CATIA V5編程方式中的Ｒouhing定擺角分層行切。此種加工方式可保證零件加工過(guò)程中切削力穩(wěn)定，減小了零件變形，同時(shí)也可滿足零件尺寸精度的要求。零件緣條及槽的加工程序軌跡如圖6所示。

圖6 零件緣條及槽程序加工軌跡

    （3） 零件耳片槽的處理

    加工零件耳片槽采用CATIA V5編程方式中的Sweeping定擺角分層行切粗加工（底面到位側(cè)面留1mm余量）與Profile Contouring軸向分層精加工相結(jié)合的方式，耳片端面采用Sweeping定擺角底刃分層行切。

    （4） 零件內(nèi)形的處理

    零件高緣條內(nèi)形采用CATIA V5編程方式中的Sweeping定擺角分層行切。零件矮緣條內(nèi)形采用CATIA V5編程方式中的Multi－Axis Flank Contouring軸向、徑向分層精加工，其加工切削參數(shù)如表1所示。

表1 切削參數(shù)的選擇

4 結(jié)語(yǔ)

    航空復(fù)雜模鍛件零件的高速加工技術(shù)是一項(xiàng)涉及面廣、技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)對(duì)零件毛坯狀態(tài)、刀具參數(shù)及路徑、切削量等工藝條件進(jìn)行全面優(yōu)化。該航空復(fù)雜模鍛件的加工滿足了零件的加工精度要求，縮短了零件交付周期，該零件的加工方案適用于數(shù)控加工的復(fù)雜模鍛零件的加工和在類似的航空梁、墻等承力構(gòu)件的加工。