摘要：针对铝合金薄壁框体零件在加工过程中容易出现装夹变形、热变形和较大残余应力等问题，从机械加工工艺角度出发，剖析了导致变形的主要原因，优化了工艺路线和工艺参数，有效解决了变形问题，同时提高了加工效率，降低了加工成本。
针对铝合金薄壁框体零件在加工过程中容易出现装夹变形、热变形和较大残余应力等问题，从机械加工工艺角度出发，剖析了导致变形的主要原因，优化了工艺路线和工艺参数，有效解决了变形问题，同时提高了加工效率，降低了加工成本。
PART01序言铝合金材料具有质量轻、强度高和加工性好等特点，被广泛用于航空航天的基础零件。主伞舱盖是新一代载人飞船返回舱模拟舱的关键零件，其作用是将主伞包封闭在伞舱内，主伞舱盖安装位置如图1所示。模拟舱工作时，主伞包拉出吊带，通过转接座与主伞舱盖相连，减速伞分离时逐渐从防热层下拉出主伞包吊带，并拉动主伞舱盖。主伞舱盖运动到一定距离后，主伞包拖带受力拉直，并将主伞包从伞舱中拉出；主伞包拖带穿过主伞舱盖下部的限位环后连接在转接座上，在拉出的过程中对主伞舱盖的姿态起稳定作用，限制主伞舱盖的翻转[1]。
图1主伞舱盖安装位置
PART02主伞舱盖的结构特点及加工难点2.1 结构特点图2所示主伞舱盖材料为5A06-H112铝合金（锻件），最大外形尺寸1925mm×1230mm×200mm，最小壁厚 5mm ，质量约 44kg 。整体呈圆锥扇形，内外型面均为曲面，有凸台，加强筋内有减轻槽，属于薄壁框体类结构。毛坯尺寸为2025mm×1330mm×235mm（带复验及探伤），质量约1735kg。由此可知，主伞舱盖的结构特点为：体积大、刚度低、结构复杂、材料去除率大以及装夹难。
a）主视 b）侧视图2主伞舱盖三维图2.2 加工难点根据主伞舱盖的结构特点分析可知，其加工难点如下：随着铣削加工过程中铣削量逐渐增大，壁不断变薄，在切削力作用下容易出现振动和变形，加工稳定性和质量控制难度随之增大；内外型面均为圆锥弧面，且有台阶和减轻槽，内外两面均需加工，选择合适的装夹方式、定位方法、加工顺序、刀具型号和切削参数等难度大；材料去除余量大，加工耗时长，加工效率低[2，3]PART03优化主伞舱盖加工工艺经过分析工件特点，根据互为基准原则[1]，决 定采取先加工一端内孔，以此内孔为定位基准，加工另一端内孔，然后以两端内孔共同定位，来加工外圆各部尺寸，最终获得符合要求的零件。
3.1 重新规划加工路线
针对主伞舱盖的加工难点，综合考虑残余应力、精度和效率，从装夹方式、工艺路线、刀具选择、刀具路径及切削参数等方面进行工艺参数优化。3.1 装夹方式装夹工艺是影响薄壁框体零件加工的重要因素，装夹方式、位置和方向等都是引起零件变形和出现误差的因素。目前，随着MBD（基于模型的设计）全数字化设计制造技术在工程化应用方面的深入推广，以三维模型为载体的协同设计、仿真、虚拟加工和虚拟验证等新技术广泛应用于航空、航天等高端装备制造领域[4]。在Creo三维环境中对主伞舱盖设计模型的特征曲面进行分类收集，并根据结构特点，采取在外围增加工艺台阶压板的方式，使得压紧力垂直作用于工艺台阶压板上，以解决主伞舱盖内外两面均为圆锥曲面而无定位基准面的难题，有效地减少了零件的装夹变形[5]。主伞舱盖工艺台阶如图3所示。
a）加工模拟 
b）模型图3主伞舱盖工艺台阶在此基础上，对模型进行有限元分析，分别创建边界条件和载荷，边界条件为4个工艺台阶压板和内侧锥形面作为固定约束，载荷为125.6N，模拟内侧锥形面有、无支撑时的应力与变形情况。图4a、图4b分别为内侧锥形面无、有支撑时的应力云图，最大应力均出现在外侧锥形面底部中间位置，最大应力值分别为108.819MPa、150.202MPa。图5a、图5b分别为内侧锥形面无、有支撑时的变形量云图，最大变形均出现在外侧锥形面底部中间位置，最大变形量分别为1.513mm、1.001mm。由图5可以看出，增加支撑后变形量减少30%以上，变形区域同样明显减小；增加支撑前后最大应力都远小于材料的许用应力（σ 0.2≥160MPa）。由此可知，加工过程中强度满足要求，变形控制措施有效，装夹方式适宜采用。
a）无支撑
b）有支撑图4应力云图
a）无支撑
b）有支撑图5变形量云图
3.2 工艺路线工艺路线是决定能否高效地加工出满足精度要求零件的关键因素，一般要遵循先主后次、基准面先行的原则。考虑到主伞舱盖的外形特殊、技术要求高等特点，同时为了有效地控制变形[6]，采用小吃刀量，多次反复铣削，其中穿插多次时效处理的工艺路线。（1）传统加工工艺主伞舱盖的传统加工工艺路线见表1，粗铣加工需在五轴数控龙门铣床上完成，由于去除量大，占用设备时间较长，因此加工效率低、成本高。
表1传统加工工艺路线
（2）优化后的加工工艺为了解决传统加工工艺效率低、成本高的问题，通过挖掘数控龙门铣床的加工能力，将以往在五轴数控龙门铣床上完成的粗铣、半精铣加工和在卧式数控铣床上完成的内嵌减轻槽加工，调整在数控龙门铣床上进行[7]，优化后的加工工艺路线见表2。表2优化后的加工工艺路线
通过表1、表2对比可以看出，与传统加工工艺比较，优化后的加工工艺具有以下优点：①将粗铣、半精铣加工从五轴数控龙门铣床剥离出来，改为使用数控龙门铣床加工。数控龙门铣床不仅使用成本远低于五轴数控龙门铣床，且功率大，适合去除量大的粗加工。②减少传统卧式数控铣床使用次数，消除了二次装夹、基准转换、对刀误差和变形对加工精度的影响。③一次装夹加工过程中对称粗开，整体开腔（不加工完，周边留量0.1mm，留底0.15mm左右）不通，将所有腔体加工完成后，最后去底，使得结构变形最小。④使用自制磨头专用工装及电火花组合清根，消除使用盘铣刀加工减轻槽的内槽后无法清根的现象，达到降低成本的目标。（3）优化后加工工艺路线的优点优化后的加工工艺路线总结如下：首先加工装夹定位基准面，再加工内侧锥形面及工艺台阶，然后翻面加工工艺台阶及外侧锥形面，经过充分的人工时效，最后精加工。优化后的加工工艺路线具有以下优点：①粗加工安装面大，压紧固定牢靠。②强度大，定位准确。③能够去除更多的加工余量。④下一工序可以使用工艺台阶压紧，中间局部振颤位置增加辅助支撑，提高强度。⑤粗加工、半精加工和精加工工序间增加人工时效，可消除切削应力，有效控制变形。⑥提高了加工效率。优化后的实际加工情况如图6所示。
a）粗铣三维图 b）粗铣实物
c）半精铣三维图 d）半精铣实物
e）精铣 f）电火花加工图6优化后的实际加工情况3.3 刀具选择加工过程中，由于刀具和零件之间进行高速摩擦，产生切削热，在切削力和切削热的共同作用下，易造成材料的回弹变形、塑性变形和振颤，因此选取刀具时，需根据加工表面的形状特点、精度要求及经济因素来考虑。此外，应根据粗、精加工余量不同而采用不同的刀具，保证切削力小、效率高，可减少零件振动和变形。综合考虑以上因素，粗铣选用φ63mm合金铣刀，半精铣选用φ63mm、φ25mm合金铣刀，精铣选用φ25mm合金铣刀、φ14mmR7mm棒棒糖球头铣刀、φ16mm合金铣刀和φ12mmR6mm钨钢球形铣刀。3.4 刀具路径及切削参数根据零件特点及加工经验可知，在加工中心铣削时，由外向内环切式走刀得到的表面残余应力分布更加均匀，应力值相对较小。此外，由外向内环切式走刀轨迹产生的硬化程度相对较小，表面粗糙度值小，表面形貌也更加光滑，残留高度更小。在精加工时，采用数控高速加工工艺，原则是小切削深度、快走刀，合理计算精加工余量，选择合理的刀具，减少零件大余量的切除，减少应力变形[8，9]。优化后的切削参数见表3。表3优化后的切削参数
PART04优化点总结经过对比，工艺优化后的加工效率提升15%以上，成本降低30%。具体优化点如下。1）采用MBD技术进行工艺分析，充分了解主伞舱盖的结构，选择曲面类零件基于数控加工用途的CAD/CAM方法，达到提高生产效率、高质量完成任务的目的。2）定位装夹方案的优化。对于不易装夹的曲面类薄壁零件在合适位置增加工艺台阶，使工序间的定位基准统一，并与设计基准统一，降低了工序间找正产生的误差，减少了变形。3）刀具路径的选择及切削参数优化，保证精度，控制变形。PART04结束语主伞舱盖的加工过程中，根据零件和材料的特点，充分考虑应力及变形量大小，进行了工艺路线、刀具选型和加工参数的优化。实践证明，采用优化后的工艺方法，可实现以主伞舱盖为典型零件的铝合金薄壁框体零件的高效加工，有效地控制了变形，满足精度要求。后续的加工中，针对材料利用率较低的特点，考虑采用3D打印技术，在满足强度和精度要求的前提下，显著地提高了材料利用率，有效地降低了成本。参考文献：
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来源：金属加工
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