航空薄壁铝合金零件的变形控制方案_周凯.pdf

2023年 第5期 冷加工20专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product and New Technology航空薄壁铝合金零件的变形控制方案周凯，赖兴朝宜宾市联动科技有限公司航空军工事业部四川宜宾644007摘要：针对航空薄壁铝合金零件的加工变形难题，从材料特性和产品结构方面进行工艺分析。通过具体的加工范例，打破原有的加工模式，另辟蹊径，制定变形控制方案，实现了薄壁件的高效率、低成本加工。关键词：薄壁；铝合金；变形；控制；内应力；工艺创新数控技师、机械工程师周凯1 序言航空结构设计为了减轻飞机自身质量，材质大量采用高强度铝合金材料，零件结构也往往体现出薄壁、细长及弱刚性特点，容易引起产品制造过程中出现变形、振颤等问题，导致航空零件的合格率低，表面质量差。本文通过典型零件范例，展现在特定工况条件下，有效控制弱刚性零件变形的特殊方法。2 航空薄壁件类型分析航空薄壁件类型如图1所示。航空整体结构件包括整体框、整体壁板、梁缘条和整体肋等几大类，其中容易造成零件变形的原因大致分为以下几种。1）厚度薄。常规航空铝合金零件的腹板、立筋厚度尺寸为1.23mm。例如，图1a所示门框缘条腹板厚度1.5mm，图1b所示骨架型材的立筋高度147mm、厚度3mm。2）通常情况下，长度和厚度的比值达301以上，甚至501。例如，图1c所示对接带板，长度和厚度悬殊巨大。3）因航空产品设计结构问题，导致零件制造的a）门框缘条类b）骨架型材类c）对接带板类图1航空薄壁件类型示例2023年 第5期 冷加工21专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product and New Technology切削刚性差。4）航空零件深腔、倒扣负角及变径曲面等造成切削时刀具有效悬长增加，容易产生切削共振，使产品变形趋势加剧。5）刀具、切削参数的运用不合理，造成产品变形量大。6）工艺方案规划不合理，造成产品变形量大。3 技术现状和产品分析目前航空制造领域通过多年的技术积累，全国几大主机制造商对铝合金薄壁件变形控制都有自身独到的解决方法，但由于技术交流壁垒的存在，让众多有效、独特和安全的控制变形方法无法传递至航空制造业各角落，以至于形成多个技术空白点，阻碍了航空制造业的高速发展。本文以典型对接带板类零件的整个加工制造过程为例，阐述该类零件从毛坯粗加工到精加工，是如何控制铝合金薄壁件变形的，从而达到触类旁通、事半功倍的目的。飞机对接带板位于中外翼下与外翼对接处，属于疲劳薄弱部位。对接带板零件结构如图2所示，带板呈U形，零件总长1842.88mm，宽318mm，厚度为46mm，外表为双变径曲面，结构整体呈弱刚性状态。图2对接带板零件结构目测该产品双侧弓形曲面结构并不复杂，但是由于其长度和厚度的比值大，曲面无任何支撑加强筋，所以在加工过程中变形巨大、共振剧烈，很难加工完成。通常各主机厂对该类零件的常规加工工艺如图3所示。粗加工带整体料框加工，精加工投入双面真空吸附工装进行全曲面贴合切削，由工装作为支撑，可以消除零件的弱刚性问题，有效控制零件变形。但是，该工艺方案的缺点是工装投入大；精加工前需要反复多次半精加工型面去除变形量，造成效率低下。且装夹繁琐，辅助设备多，加工成本高。图3常规加工工艺示意下面着重从抗变形工艺策略入手，抛弃原有的加工模式，另辟蹊径，采用点对点抗变形的手段，完成铝合金薄壁件的制造交付。4 制造工艺分析为了高效、低成本地完成对接带板的加工，前期对零件原材料特性、产品结构逐一进行分析。零件材质为2024铝合金，属于Al-Cu-Mg系铝合金1，是一种高强度硬铝，可进行热处理强化，在淬火状态下塑性中等，点焊焊接良好，主要用于制作各种高负荷的零件和构件（但不包括冲压件、锻件），如飞机上的骨架零件蒙皮、隔框、翼肋、翼梁和铆钉等。资料2显示，2024铝合金材质和变形最直接的关系就是材料伸长率。通过各类铝合金高温和低温伸长率的对比（见图4）得知，控制好切削a）高温伸长率b）低温伸长率图4各类铝合金高温和低温伸长率对比2023年 第5期 冷加工22专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product and New Technology时的温度是有效控制变形的重要手段之一。通过产品结构和残料去除量的分析发现，零件正/反两面的残料材料去除的位置不同，此工况会严重加剧零件粗加工后的翘曲变形（见图5），而且趋势为两端头向凹面方向弯曲。图5 翘曲变形综合上述分析结果，结合多年航空制造经验，将对接带板的工艺方案规划如下。4.1 粗加工方案1）为了消除粗加工变形，放弃封闭框开粗策略，工艺凸台设计为全开放式独立连接，最大程度地释放粗加工时的内应力。2）通过修正基准面的变形量来控制零件粗加工后的基准变形。3）通过振动时效，人工干预释放切削产生的应力。4.2 精加工方案1）利用半精加工反面留量，增加正面切削刚性。2）通过重力分析3，找出工件的重力点，设计工艺支持点，克服零件自身重量带来的变形因素。分段重力分析如图6所示。3）采用小刀具径向切削策略，尽量保证最小的接触面和切削力。图6分段重力分析5 对接带板加工过程粗加工使用D35mmR1.5mm方肩刀片式铣刀，采用整体、等高环绕，层切策略。发现零件两端翘曲58.5mm，已经超出单边放量8mm极限，后续加工风险非常大。经调查分析，估计变形值超差为粗加工时零件冷却不够、内应力释放不畅所致。调整粗加工策略，将残料去除方式从等高整体切削更改为分区域加工。为了最大程度地降低切削温度，预加工冷却应力释放槽，充分释放粗加工应力（见图7），减小因切削热量而导致的变形。改进后粗加工变形量被有效控制在35mm，效果明显。图7 释放应力精加工关键点如下。1）自由状态修正基准面，保证工艺凸台基准面平面度0.15mm。2）半精加工留余量3mm，保证零件刚性。3）时效48h后，再次自由状态修正基准面，保证工艺凸台基准面平面度0.1mm。4）二次半精加工留余量1mm。5）零件放松，释放内应力，并振动时效12h。6）自由状态修正基准面，保证工艺凸台基准面平面度0.05mm。7）精加工工艺优化如图8所示。精加工采用D20mmR2mm小直径刀具，选用高速机床，主轴转速a）优化精加工工艺参数b）优化刀路采用径向切削方式图8精加工工艺优化2023年 第5期 冷加工23专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product and New Technologya）型面测量结果b）轮廓测量结果 图9三坐标测量结果10000r/min，进给速度4500mm/min。采用沿Y轴径向切削的方式，始终保持点接触切削状态，减小切削力。通过新工艺设计和加工过程技术优化，最终对接带板成品达到了基准面平面度0.1mm、型面外形尺寸公差0.05 0.25mm、轮廓公差0 0.2mm以及断面厚度公差0.15mm的技术要求。对接带板成品三坐标测量结果如图9所示。6 结束语本文针对薄壁件对接带板产品的开发，阐述了从产品初期工艺设计到实践加工时点对点的技术革新手段。突破原有的制造思路，通过工艺创新和变形控制方案，大胆采用分割切削、重力分析及辅助支持等手段，有效抑制了产品的翘曲变形，大幅降低了零件制造成本，为航空薄壁零件制造提供了很好的技术范本。参考文献：1 中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册M.2版.北京：清华大学出版社，2013.2 晓材Matmole全球材料科学数据库.典型航空用铝合金性能对比Z.2022.3 韩凤起.UG NX7.5基础应用与范例解析M.北京：机械工业出版社，2012.20230302