最火铝合金翼身融合整体框高速加工技术

铝合金翼身融合整体框高速加工技术

高比强度、高比刚度的轻量化，是现代飞行器设计和制造的核心目标之一。为了实现这一目标，现代航空产品在选择高比强由力-位移(变形)曲线度材料的同时，大量采用具有较低结构重量比的整体结构。但是整体结构件由单一毛坯切削加工而成，金属去除率大、材料利用率低，在去除大量材料的同时，也释放了大量的毛坯内应力，从而引发了加工变形超差的问题，并将影响产品装配和使用性能，所以整体结构件的加工，对现代飞机制造业提出了更高的要求。

翼身融合整体框是近年来出现的飞机大型构件的一种新的结构形式，比较传统结构具有非常大的优势，它代表了未来飞行器大型构件设计的发展趋势。

1 零件分析

翼身融合整体框，是将机身整体框与机翼长梁合为一体的结构形式，其主要特点是尺寸非常大，金属去除率非常高，零件结构特殊。另外，由于材料状态等多方而原因，势必造成加工中产生较大的变形。因此应当认真分析零件的特点、材料特性、零件工艺

性等，寻找新的加工思路和加工方法。

以某机型翼身融合整体框为例(见图l)，对此类结构的零件加工方法进行论述，其主要特点如下：

(1)零件结构为中间框与两侧长梁相结合，双而多型腔，筋高壁薄。

(2)存在“闭角”和“双曲外缘”等复杂结构，外形要符合机身理论外形和进气道理论外形，精度要求非常高。

(3)金属去除率高达97．63％。

2 材料及应力分析

2．1残余顾力

材料或毛坯在制造过程中产生的残余内应力，是导致变形的主要力量。由于锻压或挤压的过程，使得材料内部产生了巨大的应力，经过热处理和时效或预拉伸等工艺方法，消除了大部分的应力，但不可能完全消除，剩余的就是残余应力。

其分布基本是：外层为压应力，内层为拉应6. 电气装备质量力，力的平衡保持了结构的形状不变。由于零件加工都是首先破坏外层表而，而且不可能在一瞬间去除。这样就出现了应力的重新分布并表现出来。因首先加工的一侧应能保证实验力快速增加到规定设定值时，随着切削作用应力被去除，内层的拉应力起作用，同时另一侧的外层的压应力也发生作用，共同作用的结果，使结构向被加工一侧产生变形。随着加工的不断进行，应力也随之不断地变化，重新组合，当加工结束时，变形也就产生了。

2．2材料应力分析

翼身融合整体框是采用大型预拉伸厚板做毛坯，轧制和拉伸处理的难度较大。

毛坯不同位置所含内应力并不一致，主要体现为两位置同一厚度上的应力幅值不一致，无论是长度方向还是宽度方向的主应力，均有l 5％左右的波动。应力幅值变化剧烈，对后续工艺流程设计，必将产生较大影响。所以工艺流程设计，应主要围绕如何通过加工逐渐消除残余应力来展开。

2．3变形形态分析

翼身融合整体框是集梁、框于一体，其变形状态应该集梁类零件和框类零件的变形特点于一体，大致有以下几种情况：翘曲、侧弯、扭曲、局部腹板凸起，同时，由于零件尺寸非常大，也会因自重而引起零件变形。

3 工艺方案的分析与论证

零件从毛料加工到成品的整个过程中，合理的工艺流程设计，是非常必要和重要的一个环节。

3．1粗加工方案设计

粗加工工艺方案是整个零件加工工艺方案的重中之重。因为绝大部分的余量，都是在粗加工时去除，大部分残余应力，也是通过粗加工释放出来，如何进行粗加工工艺方案设计，是需要认真思考的。

(1)粗铣中间段及过渡段。零件由中间框体过渡到两端长梁，截而尺寸变化较大的位置，比较容易发生弯曲变形，中间小区域内的变形，将导致零件挠度非线性增加，因此中间区域和两侧过渡区域，是加工

变形控制的重点。

为此，在粗加工前对这3个区域进行局部粗加工，提前释放应力集中区内应力，以减少对后续工序的影响。具体加工方法：交替反复加工两而中间段和过渡段。

(2)粗铣其他部位内外形。若按照传统的双而框和梁的加工思路，可先将一而粗铣完成后，再翻而粗铣另外一而，当粗铣第一而后，失去平衡的内应力场，将导致较大的变形，容易造成零件局部发生塑性变形。针对这一情况，不能一次将一侧粗铣余量全部

去除，需要对零件双而粗铣的余量去除方案进行优化，需要几次翻而，反复进行粗铣，尽量使零件每次翻而前，去除的余量最大，从而保证加工品质。

(3)值得注意的3个问题。

其一，粗铣时，为了零件反复翻而时的有效定位，且利于后续加工，筋条高和缘条高暂不加工。

其二，零件腹板上有若干大圆孔，大圆孔通常在零件加工接近尾声时切断，由于圆孔处在腹板上，而腹板在厚度方向的中间位置，切断圆孔时缺少有力支持，切断时零件必将会发生震颤。另外，由于零件尺寸大，悬空而积也非常大，中间缺少支撑点，所以在设计工艺方案时，考虑在圆孔处预留出工艺凸台，工艺凸台在零件的整个加工过程中起到很好的辅助支持的作用，在零件最终切断时一并去除。

其三，为了增强零件在整个加工过程中的稳定性，零件进气道处的两个大圆孔中心的圆形毛料及零件外形周围的毛料，在加工过程中不去除，起到定位及增强稳定性的作用，在最终切断时去除。

3．2充分自然时效

粗铣后，在自由状态下充分自然时效，自然时效是一个充分释放内应力的过程。

自然时效需要在常温下，将零件摆放在一个光洁平整的平台上，根槲铝合金时效变形试验结果，72 h后挠度变化趋于平稳，所以零件必须充分自然时效72 h。

3．3铣上、下两平而_÷半精铣内外形_÷精铣内外形并切断

4 加工方式及加工设备的选择

(1)加工方式选择。零件加工方式采用高速加工。高速加工是现时的一种发展趋势，其具有高转速、快进给、轻切削的特点，更重要的是，高速加工对控制零件的变形起到了非常重要的作用。

(2)装夹方式的选择。由于零件材料为厚板，在选择装夹方式的时候，首先考虑到真空吸附，但是由于零件腹板厚度非常薄，虽然真空吸力仅有0．060．08 MPa，零件尺寸大，辅助支撑又比较少，在真空吸力的作用下，零件极有可能会发生变形，不涂以适当的润滑油利于零件

品质的保证。最终装夹时，仅在毛料周边加压压板，将零件压紧即可。

(3)定位基准的选择及坐标原点的确定。由于零件为双而加工整体框，定位基准选择在缘条的高表而。零件用板材加工，原点选择在板材的一个直角边上。

5 刀具的选择

高速切削刀具材料必须耐磨，抗冲击能力好，硬度高，与工件材料亲和力小。高速切削的刀具材料，必须根槲工件材料和加工性质来选择。一般情况下，对于相同的刀具材料，粗加工可以采用较高的切削速度、较大的每齿进给量，而刀具的较好的切削状态，不是满直径加工。一般情况下，对于立铣刀或端铣刀，较好的切削状态是加工宽度为刀具直径的66％～83％。粗铣时，可选用大直径的机夹式硬质合金刀具，以提高金属去除率。

6 检查与验收

在零件的加工过程中，每加工一步，都安排对零件的变形状态进行跟踪及测量，检测方法是将零件自由状态下置于平台上，用塞尺检查零件与平台间间隙，结果显示，整个过程的变形量在0．4～1．7 mm之间。

加工结束后，采用测量机测量整个零件，测量内容包括零件外形、筋位、腹板而及孔位，效果非常理想的，无侧弯、翘曲、扭曲等变形。

7 结束语

翼身融合整体框的高速加工工艺，在国内当属业内领先技术，缺乏可以借鉴的经验。通过前期工作，总结如下：

(1)装夹方式尽量不使用真空吸附，最好将零件在自由状态下直接夹紧，这样有利于应力的均匀释放，同时也有利于悬空薄壁腹板尺寸的保证。

(2)由于中间段、过渡段等截而尺寸剧变处，为应力集中区域，粗加工前，先将这些区域进行粗加工，预先释放这些部位的应力，以利于后续加工。

(3)将粗加工做细做好，是加工此类零件的重点。因为大部分的残余应力要在粗加工时释放出来，所以将粗加工做细做好，使应力均匀释放并逐渐消除，后续的半精加工、精加工自然是水到渠成。

(4)编制粗铣程序时，注意采用等高降层的方法，使应力逐层均匀释放。

(5)粗加工后，需要充分自然时效72 h。

(6)由于零件尺寸大，悬空而积非常大，中间缺少有力支撑，针对这种情况，可以利用腹板上的圆孔，在圆孔处预留工艺凸台，在最后切断时一并去除。这样做有两点好处：

一是工艺凸台可以在加工中起到辅助支撑的作用，使零件加工状态稳定，薄腹板尺寸容易保证：

二是避免圆孔切断时腹板悬空，造成震颤。