长梁类铝合金结构件的数控加工工艺设计毕业论文.doc

中央电大毕业设计(论文) 四川电大毕业设计（论文） 长梁类铝合金结构件的数控加工工艺设计 作 者: 赵 勇 市级电大: 四川省电大直属学院 专 业: 机 电 一 体 化 年 级: 2012 年 9 月 学 号: 1251001250778 指导老师: 高 晓 琴 中央电大毕业设计(论文) 四 川 电 大 毕 业 设 计(论文) 诚 信 承 诺 书 本人慎重承诺和声明：所撰写的长梁类铝合金结构 件的数控加工工艺设计是在指导老师的指导下自主完成， 文中所有引文或引用数据、图表均已注解说明来源，本人愿意为由此引 起的后果承担责任。 设计(论文)的研究成果归属学校所有。 学生(签名) 赵 勇 2014年 11 月 05 日 中央电大毕业设计(论文) 摘 要 本次设计首先分析了铝合金航空结构件的材料特性及其结构特征， 根据铝合金本身的材料特性和铝合金结构件的结构特征，分析其在切削 成型过程中可能会遇到的变形和共振的问题，主要就是铝合金航空结构 件在切削成型过程中的遇到的各种会造成结构件变形的因素和影响刚性 引起共振的原因。 进而确定了总体加工方案，并进行分析研究并解决。根据加工方案 的设定，确定了加工顺序，加工设备，加工参数，加工刀具，装夹定位 方式等。 然后，进入本设计的重要部分，影响结构件变形和加工刚性的分析。 最后作其它相关因素的分析和解决，并作必要的说明。 关键词：铝合金，变形，刚性，加工方案。 中央电大毕业设计(论文) AbstractAbstract TheThe designdesign ofof thethe firstfirst analysisanalysis ofof thethe materialmaterial propertiesproperties andand structurestructure characteristicscharacteristics ofof aircraftaircraft structurestructure aluminumaluminum alloyalloy parts,parts, accordingaccording toto thethe structurestructure characteristiccharacteristic ofof materialmaterial propertiesproperties ofof aluminumaluminum alloyalloy itselfitself andand thethe aluminumaluminum alloyalloy parts,parts, thethe deformationdeformation analysisanalysis andand resonanceresonance whichwhich maymay bebe encounteredencountered inin cuttingcutting thethe moldingmolding processprocess isis thethe mainmain problem,problem, allall meetmeet thethe aluminumaluminum alloyalloy aviationaviation structurestructure inin cuttingcutting moldingmolding inin thethe processprocess ofof thethe causecause andand influencinginfluencing factorsfactors ofof rigidrigid partsparts causedcaused byby thethe deformationdeformation ofof thethe reasonreason ofof resonance.resonance. ThenThen thethe overalloverall processingprocessing schemescheme isis determined,determined, andand carriedcarried onon thethe analysisanalysis andand solution.solution. AccordingAccording toto processprocess setting,setting, determinedetermine thethe processingprocessing order,order, processingprocessing equipment,equipment, processingprocessing parameter,parameter, processingprocessing cuttingcutting tool,tool, clampingclamping andand locatinglocating methodmethod etcetc Then,Then, intointo thethe importantimportant partpart ofof thethe design,design, analysisanalysis ofof thethe effecteffect ofof deformationdeformation andand rigidrigid partsparts processing.processing. FinallyFinally thethe analysisanalysis andand solutionsolution ofof otherother relatedrelated factors,factors, andand makemake thethe necessarynecessary instructions.instructions. 中央电大毕业设计(论文) KeyKey words:words: aluminumaluminum alloy,alloy, deformation,deformation, rigidity,rigidity, processingprocessing scheme.scheme. 中央电大毕业设计(论文) 目 录 绪论绪论1 1 一、设计要求和技术指标1 二、主要内容2 第一章第一章 加工变形影响因素的分析及解决方案加工变形影响因素的分析及解决方案3 3 第一节 变形原因的分析 .3 第二节 变形解决的方案 .5 一、从应力方面 5 二、从装夹方面 7 第二章第二章 加工刚性的影响因素分析及解决方案加工刚性的影响因素分析及解决方案9 9 第一节 加工刚性的影响因素分析 .9 第二节 刚性影响因素的解决方案 10 一、结构设计 .10 二、加工方案 .10 三、加工参数 .10 四、加工设备的选择 .11 五、刀具、工量具的选择 .12 六、工艺装夹的方式 .13 第三章第三章 其它影响因素其它影响因素1414 第一节 影响变形和刚性的其他可能性 14 一、材料 .14 二、工具 .14 本章小结本章小结1515 结论结论1515 参考文献参考文献1616 致谢致谢1717 中央电大毕业设计(论文) 绪论绪论 一、一、 设计要求和技术指标设计要求和技术指标 现代航空航天器所用材料主要是铝合金、合金钢、钛合金以及复合材料等，虽然复 合材料和钛合金在机体上的使用比例有逐年增加的趋势，但是，铝合金材料因为其材料 特性，重量轻，密度较小、比强度较高、耐蚀性好、成形性较好、工艺成熟、使用数据 充分、资源丰富、成本低廉，而且近年来性能不断提高，成本降低，并出现新型铝合金 （铝锂合金），因此铝合金的发展并未像预期的那样迅速退出航空航天器结构材料的舞 台，而仍在波音 777、A340、A380、C919 等最先进的航空航天器上大量使用。可见，铝 合金仍然是航空航天器中不可或缺的主要材料。特别是 7000 系列及以上的，广泛应用在 航空航天器的框架结构上，其中主要以框型、梁型为主，在加工成型过程中，由于铝合 金毛坯成型的残余应力及金属切削造成的内应力会引起铝合金的变形，加工中变形会影 响结构件的最终成型，不易控制加工精度，也会影响结构件的加工周期，还会造成薄壁 结构件的尺寸超差，厚度不均匀的误差。加工中由于刚性差引起的共振同样影响着结构 件的加工稳定性，影响表面质量，还可能造成内部缺陷（裂纹等），刀具极易磨损(甚至 崩刃)，机床连接受到破坏，严重时甚至使切削加工无法继续进行；振动中产生的噪音也 将危害操作人员的健康。这里尤其长梁类型结构件因其结构特征更易发生这些问题，所 以对此类结构件的加工变形和加工刚性工艺研究十分必要。 现代航空航天器性能要求的越来越高，其主承力结构件，如航空航天器的整体框、 整体梁等均采用由整块毛坯直接掏空而加工成型（如下图）材料切除量可达到 90%95%。整体结构件体积大、刚度差、易变形、加工质量和精度很难控制。 图图 一一 二、二、 主要内容主要内容 大型结构件的加工变形问题，涉及力学、材料成形加工、切削加工和机械制造多个 中央电大毕业设计(论文) 学科领域，本工艺研究从引起变形的因素入手分析，采用理论建模、和实验验证相结合 的方法分析和对比数控加工中零件变形情况;分析了工件内残余应力分布,模拟了去除材料 对工件变形的影响,用经过改进的加工顺序进行切削过程的仿真和改进,并对仿真所得的零 件变形量与实际加工测量结果进行了比较,验证了分析方法和所建立模型的有效性。依次 针对性寻找解决方案，逐个突破，最终成功解决变形和加工刚性的问题。 这里以某型号航空航天器长梁类结构件为例（材料选取铝合金 7075-T7451 预拉伸板 材，铝合金热处理并时效后的残余应力主要是淬火热应力残留，即中心为拉表面为压的 情况。经过预拉伸应力释放，则应力降低，分布会更复杂，在整个厚度内从压到拉反复 变化几次，见图二，引至文献【12】。），由于大型结构件具有材料去除率大，形状复杂， 整体刚性较差的特点，对切削加工提出了更高的要求，按航标规定，结构件长度小于 1000mm，允许变形 0.3mm，结构件长度大于 1000mm 小于 3000mm，允许变形 0.5mm， 结构件长度大于 3000mm，允许变形 0.8mm，故我们要控制在这个范围内。 大型结构件的加工共振问题，航空航天器大部分结构件都属于薄壁结构（大面积腹 板+支撑筋条+外形面缘条），薄壁结构件在切削力的作用下，容易产生震动，影响结构 件的尺寸精度，形位精度和表面粗糙度，这类零件的壁厚与他的径向、轴向尺寸相比较， 相差悬殊，所以薄壁零件的刚性较差，加工易产生共振，装夹就成为了加工质量和提高 加工效率的关键。 航空航天器常规表面质量要求粗糙度 Ra6.3，部分有配合关系的部位或是关键受力 部位等表面质量要求粗糙度 Ra3.2，所以我们此次研究需要保证最低标准表面质量粗糙度 Ra6.3。并且内部要求不允许有缺陷（裂纹），这都是需要通过控制加工共振来保证的。 图图 二二 第一章第一章 加工变形影响因素的分析及解决方案加工变形影响因素的分析及解决方案 第一节第一节 变形原因的分析变形原因的分析 大型结构件刚性差，切削力、切削热及切削振动等均容易导致零件变形，降低加工 中央电大毕业设计(论文) 精度和加工表面质量。从铝合金材料本身的特性方面来看，为获得理想的强度，铝合金 毛坯板材必须经过轧制、固溶、拉伸、时效等一系列工艺流程，在这些过程中因存在不 均匀的温度场和不均匀的弹塑性变形，板内产生了残余应力，毛坯初始残余应力以及切 削加工过程中强热力耦合作用下产生的残余应力，在重新分布后造成整体结构件整体变 形。在切削过程中切削力，会让弓箭的侧壁残生“让刀”变形，其产生的切削热及切削 振动等均容易导致结构件变形，在切削过程中，刀具对工件的切削力，会在工件与刀具 的接触部分发生弹塑性变形，并且材料不断被刀具切除，板内残余应力发生释放与重分 布，原来的应力自平衡状态遭到破坏，工件只有通过变形才能达到新的平衡状态。 如图一所示，某型号航空航天器典型长梁类结构件，一端有凸台，一面是全框面， 一面是半框面，具有单边特征。从结构件自身几何结构上看，细长，结构不对称，薄壁 部位多，也是产生较大变形的内在因素。弹性模量是工程材料重要的性能参数，从宏观 角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是 原子间结合力的强弱的反映。某型号航空航天器所采用的铝合金材料的的弹性模量约为 7073MPa，约为钢的 1/3。其弹性模量小、屈强比大，在切削过程中极易产生回弹。 图图 三三 在加工中还存在装夹力的作用下使结构件发生的变形，在结构件内部形成装夹应力 场并产生相应的位移。当刀具进行切削加工时，会出现过切或欠切现象，从而 造成工件表面几何误差变形，对于刚性较差的薄壁结构件，装夹是引起加工变形的一个 重要因素。 传统装夹方式，采用压板，这种问题尤为严重，并且很少采用力矩扳手，就会造成 不同压紧部位，压紧力不同，对加工工件产生相应位移，造成变形。 这里主要分析内应力分布、几何结构、刀具切削及装夹方式对加工变形的影响，一 中央电大毕业设计(论文) 般采用高强铝合金预拉伸厚板和数控加工，在实际加工中，因材料性质，毛坯的生产残 余应力，加工工艺及零件集合特征导致加工时易产生明显的残余应力释放引起的变形， 目前因控制变形而采取的保守的加工方法（增加校正工序等），降低了加工效率和提高 加工成本。 从典型的长梁类结构件加工过程来看，其变形主要有几个直接来源： 、毛坯初始残余应力以及切削加工过程中强热力耦合作用下产生的残余应力； 、结构件自身单边不对称的结构； 、刀具切削力、切削热在工件与刀具的接触部分发生弹塑性变形； 、工装和装夹方式对结构件带来的影响； 其加工中的变形方向如下图所示。 图图 四四 目前铝合金材料加工中，锻件、铸件暂时达不到使用强度要求，故毛坯大部分还是 是选取高强铝合金预拉伸板材，整块毛坯直接掏空而加工成型，所以加工时有凸台 的一面需要去除大余量，所产生的残余应力也会比另外一面大，结构件会如图二所示向 有凸台面弯曲变形，再有结构件有一面是半框面，相当于只有一侧有外形面，没有外形 面的一侧没有刚性支撑，加工中会向这一侧弯曲变形。通过文献【12】得知，对于此类结 构件，不对称结构导致不对称去除毛坯造成的残余应力不对称释放对变形的影响远大于 其他原因的影响，因此我们也主要研究残余应力对变形的影响及如何应对。 据最原始的加工数据，粗加工去除大余量过后，结构件会按图二所示方向变形超过 2mm（下图所示，图中塞尺为 2mm），只有安排校正工序来满足后续加工，加工出合格 结构件。 腹板方向变形腹板方向变形 外形方向变形外形方向变形 中央电大毕业设计(论文) 图图 五五 第二节第二节 变形解决的方案变形解决的方案 一、应力方面一、应力方面 结构件产生变形的根本原因在于其内部的残余应力，而残余应力的产生根本是 由于材料内各部分有不均匀的形状和体积变化。在其材料成型、热处理、切削过程 等，都会形成不均匀的残余应力。残余应力，一种是想办法消除，再一种就是想办 法抵消。此类薄壁结构件去除材料改变了内残余应力释放和重新分布引起的变形。 加工的主要集中在粗加工去除大余量的时候，传统的消除的方法是时效，释放应力， 再通过校正，恢复原状态。通过实际变形的状态，可以预测和采取原材料供应状态， 但在材料固定下基于实际变形状态，只考虑残余应力的影响，我们通过加工中尽量 对称去除材料，合理安排加工顺序，使产品内残余应力合适释放，进而消除、抵消 变形，我们从以下几个方面入手。 切削加工过程引起的应力与毛坯制造的残余应力在同一数量级上，但是只限于 加工结构件表面，加工后零件内的残余应力释放导致变形，我们从加工设备上，选 择工作稳定性好的高速切削设备，主轴转速 20000 转以上，切削速度 8000mm/min 以上，轴向切深可达到 4mm，径向切深可达到 50%刀具直径，并且加工前要对主轴 进行充足的预热，使其达到平衡状态，这里高速主轴热变形会导致主轴伸长，刀具 也会受热伸长，就会导致工件尺寸超差，故高速主轴预热很必要。以较快的速度切 削，缩短加工时间，切削区的热量来不及传给工件，所以不部分热量留在铝屑中， 由铝屑带走，工件基本不受切屑热的影响，也就消除了切削热带来了的应力变形。 去除大余量材料加工，借助高速加工的转速高，切削力低，再辅以冷却液，释放切 削热，对应热塑变形效应（在切削过后产生的切削热使表层收缩多，里层收缩少。 表层的收缩受里层的牵制，因而表层存在张应力，里层存在压应力），并在去除大 2mm 塞尺，可入 中央电大毕业设计(论文) 余量材料加工后进行充分的时效，释放掉耦合作用下的残余应力，即可有效消除大 部分残余应力，控制变形。 在刀具切削去除材料后，里层金属有弹性的恢复，即在已加工表面形成之后， 因刀具的作用力消失。弹性变形趋于复原，但受到表层金属的牵制，因而在表层造 成应力状态。参考图六，腹板变形的示意图，引至文献【12】。 这时在刀具的选择方面，在刀具耐用度允许的情况下，选用较大的刀具前角和 后角。在文献【15】中提出残余应力管理技术（RSM），从不同的角度讨论减小残余应 力的方法，对于刀具前角，该文指出，前角每增加 1 度，切削温度及切削力会降低 10%。 图图 六六 在加工方法上，程编刀具的轨迹要避免重复，避免刀具碰伤已加工变形的切削 面；框面的粗加工，要选择层优先，应力得以均匀释放；进退刀方式应采用斜向或 圆弧，并且角度10°，尽量不采取垂直进退刀，减少对工件的作用力；当然切削 刀具要保持锋利，良好的切削状态。下图黄色线即为圆弧进刀，且进刀角度10°。 图图 七七 在加工顺序上，要降低毛坯的内应力，采用自然或人工时效及振动处理，均可 有效消除内应力。预先加工也是行之有效的工艺方法。对毛坯很大，工件很小的， 由于其余量很大，其切削所产生的切削力大，切削热多，变形也会很大。故我们先 加工掉毛坯的多余部分，缩小各部分余量，不仅可以减少后序加工变形，还可以留 置出时效时间，释放一部分内应力。我们研究的长梁类结构件，毛坯总量约 30kg， 圆弧进刀 中央电大毕业设计(论文) 而最后的成品重量仅为 1.5kg，见下图 图图 八八 从结构件自身刚度入手，增强刚度抑制一部分变形，在结构件的自身几何结构 上，其不对称的特征引起的变形，我们通过套材方式及工艺凸台进行结构补充，让 其完整，成为近似对称结构，即达到对称铣削，并且工艺凸台的增设可以增强其自 身刚度，从而抵消其因不对称的几何结构引起应力变形，增设的工艺凸台如图九所 示， 图图 九九 采用套件的方式，增设中间的工艺凸台，让结构件成为近似对称的结构，补偿 半框面一侧没有的外形面，这样在外形方向（图四）的变形将被抵消；并且工艺凸 台会增强结构件自身的刚度，在有凸台的一面去除大余量过后，会减少腹板方向 （图四）的变形。 下图为实验件，按我们工艺设计的结构，为对称设计，使用 20000 转高速设备 工艺凸台工艺凸台 工艺凸台工艺凸台 工艺凸台工艺凸台 沉头螺钉沉头螺钉 毛毛 坯坯 工工 件件 中央电大毕业设计(论文) 加工，采取快速切削。 图图 十十 二、装夹方式方面二、装夹方式方面 装夹的夹紧力产生在工件与工装之间的接触区域上，理想的工装垫板是平面度 为“0”，不过在实际加工中由于制造、设计等等原因，工件与工装垫板贴合压紧后， 会在夹紧力的作用下变形，原始的工装采取标准件拼装，不能适应结构件的形状， 其装配间隙、公差对控制变形影响很大。 从装夹方式上，初始的方式采用普通的垫板和压板进行装夹，普通的垫板不能 跟随结构件的结构特征进行有效的支撑，压板的压紧力大小、不平均都会影响加工 状态，造成变形，还会对加工造成干涉，影响加工效率。 增加辅助支撑、压紧点，分散受力点、增加压紧接触面积，还可以把单边不对 称结构，设计成对称结构，对于薄壁且面积大的腹板面，还可以采取真空平台吸附 装夹方式。设计专用工装（图四）可以对结构件进行有效的支撑，增强结构件自身 刚度，控制变形的同时也增强加工刚性，提高加工质量和加工效率。压紧采用沉头 螺钉（图二），沉头螺钉的优势在于压紧力直接传递到工艺凸台，工艺凸台整体与 结构件连接，压紧力的大小、不均匀都不会对加工状态有直接的影响，并且沉头螺 钉埋在工艺凸台里面，不会对加工造成干涉，可以提高加工效率。 中央电大毕业设计(论文) 图图 十一十一 最后经过试验件的验证，变形得到有效的控制，通过对设备，刀具，加工方法，加 工顺序，工装垫板的设计使用等方面，如下图所示，塞尺厚度为 0.1mm。 图图 十二十二 0.1mm 塞尺，不入 中央电大毕业设计(论文) 第二章第二章 加工刚性的影响因素分析及解决方案加工刚性的影响因素分析及解决方案 第一节第一节 加工刚性的影响因素分析加工刚性的影响因素分析 金属切削加工中会因为刚性差而产生振动，这是一种十分有害的现象。从设备的安 装开始，隔震地基、传动系统缺陷等等。若加工中产生了振动，刀具与工件间将产生相 对位移，会使加工表面产生振痕，严重影响结构件的表面质量和性能；刀具极易磨损(甚 至崩刃)，严重时甚至使切削加工无法继续进行；振动中产生的噪音还将危害操作者的身 体健康。为减小振动，有时不得不降低切削用量，使机床加工的生产效率降低。 一般，切削过程中产生的振动都具有自由振动、强迫振动和自激振动。引至文献 【17】，加工设备受迫振动占 50%60%，自激振动占 30%40%。其中自激振动是加工中 遇到的主要振动形式。切削过程中的自激振动又称为颤振，是比较常见的振动形式，其 实一个闭环系统，如不抑制，会变大，故消除颤振是一个重要问题。颤振的产生会是由 模态耦合颤振理论及不同材料、刀具引起切削力变化而产生的颤振等。下图为腹板振纹 及缘条内形振纹。 图图 十三十三 我们从以下方面，工艺结构设计，加工方案的准备，切削参数的使用，加工设备的 选择，工艺装夹的方式，刀具、工量具的选取等等，来逐一分析解决。 腹板 振纹 缘条内形振纹 中央电大毕业设计(论文) 第二节第二节 刚性影响因素的解决方案刚性影响因素的解决方案 一、工艺结构设计一、工艺结构设计 主要针对结构件本身结构不对称，不规则，结构件自身刚度较弱，引至文献【17】， 设备转速在 10000 转以上，激振力频率远高于设备工艺系统固有频率，通过对薄壁结构 件的切削实验，发现壁厚较大时（3mm），基本上不会发生切削振动，随着壁厚变薄， 振动发生几率越来越大。故在加工的时候出现刚性不足，会引起共振，这种情况我们通 过套材方案，并增加工艺凸台（图九）或工艺支撑来补充结构件自身的不对称结构，增 强结构本身的刚度，通过增加工艺凸台，同时也使结构件变成完整对称结构，在加工中， 可以有效增加刚性，抑制振动，在全部尺寸加工到要求后，最后再把工艺凸台去除。 二、二、加工方案的准备加工方案的准备 结构件能否顺利加工成型，合理的加工方案很重要，加工方式、方法，工序的安排， 粗加工余量控制，是否需要半精加工，怎么样刚性最好，震动最小，如何保证尺寸，达 到设计要求。一般是从最后下断工艺凸台开始往前考虑，我们需要注意的有特殊要求的 地方。我们研究的此类长梁类结构件，一般对长度方向的变形量要求比较高，外形面表 面质量，和内型面的厚度尺寸，有些还会有装配用的定位工艺销孔。 装配用定位工艺销孔要求公差一般在±0.1mm 以内，所以这个工艺孔的加工需要安 排在半精加工或精加工后，切削基本完成，这样不会再产生更多切削应力而使孔位变化。 粗加工尽可能选取大直径刀具，大直径刀具切削效率高，尽量的去除多的毛坯余量， 还要保证足够的刚性。留余量过少时，精加工第一面时，底面余量过少会造成刚性不足， 引起震动。留余量过多时，精加工时会因余量过多刀具加工费力，而造成效率降低，同 时可能会造成刀具故障影响加工质量，通常选取周边及底面留余量 3mm，面积较大需要 增加刚性是可以增加到 5mm，但只针对底面增加。 精加工先加工外形面，满足型面测量的需求后，再进行内形面的精加工，内形面先 加工侧壁，这时腹板面有足够的强度拉住侧壁，而腹板面会由工艺凸台或工艺支撑来增 强刚性。下断工艺凸台的顺序要先从刚性最差的地方开始，至刚性最好的地方结束。 三、加工参数的使用三、加工参数的使用 加工参数主要是选用合理的轴向切深和径向切深，配以加工设备的主轴转速，和切 削进给量。径向切深通常选取 50%刀具直径即可，轴向切深与刀具直径、切削方式，主 轴转速和进给量有关 一般认为，引至文献【17】切削速度越高，激振频率则越高，特别在高速切削情况下， 激振频率远高于工艺系统的固有频率，因此工艺系统振动小。但是，随着薄厚越来越小， 刚性下降，会诱发切削振动，因此，对于薄壁结构件，在保证加工效率的前提下，首选 高速切削方式，以原理工艺系统的固有频率。 经过对试验件的实验数据对比，采取以下加工参数，较为合理。 中央电大毕业设计(论文) 此长梁类型结构件如果选用低速设备（主轴转速 3000 转/min 以下）， 1、粗加工，刀具直径 30mm，底角 R3，径向切深可以选取 15mm，轴向切深 5mm， 切削进给量 3000mm/min。 2、精加工，刀具直径 20mm16mm，底角 R3，径向切深3mm，轴向切深3mm。 切削进给量 2000mm/min。 3、清内形转角，刀具直径 12mm6mm，底角 R3，径向切深1mm，轴向切深 2mm，且最后一层需要1mm。切削进给量 1000mm/min。 4、下断，刀具直径 12mm8mm，底角 R1，径向切深 50%直径，轴向切深1mm， 切削进给量 1000mm/min。 此长梁类型结构件如果选用高速设备（主轴转速 20000 转/min 以上）， 1、粗加工，刀具直径 32mm，底角 R3，径向切深可以选取 16mm，轴向切深 4mm， 切削进给量 8000mm/min。 2、精加工，刀具直径 20mm16mm，底角 R3，径向切深可以选取2mm，轴向切深 3mm，切削进给量 6000mm/min。 3、清内形转角，刀具直径 12mm6mm，底角 R3，径向切深可以选取0.5mm，轴 向切深 2mm，且最后一层需要1mm，切削进给量 6000mm/min。 4、下断，刀具直径 12mm8mm，底角 R1，径向切深 50%直径，轴向切深1mm， 特殊情况时轴向切深会达到刀具切削刃长度，但是径向切深要严格控制在 1mm 以内。切 削进给量 6000mm/min。 通过数据对比，研究发现，增大进给量时，对切削振动有一定的抑制作用，并且高 速加工在效率上的优势很明显。 四、四、加工设备的选择加工设备的选择 数控加工设备以其高精度、高效率现在已普遍使用在航空航天器结构件的加工中， 数控设备主轴方式不同，可以分为三坐标（XYZ），四坐标（XYZA），五坐标 （XYZAB/XYZAC），包括现在还有一种虚拟轴（任意角度），主轴转速上又可分为低 速（6000 转/min），亚高速（9000 转/min），高速（20000 转/min），结构上又可 分为立式，卧式，龙门式，加工方式还可分为数控车，数控铣，车铣复合加工中心等。 立式和龙门式是使用最广泛的，这里我们选择定梁式龙门式五坐标高速数控设备 （图十四），龙门铣自身稳定性好，精度高，设备震动对被加工结构件影响小。五坐标 高速切削可以快速一次性加工完全部开角部位和闭角部位，缩短加工时间，较少切削应 力，提高加工效率。 中央电大毕业设计(论文) 图图 十四十四 五、五、刀具、工量具的选取刀具、工量具的选取 加工设备选定后，加工刀具可选的范围就可以确定了，高速设备使用的高速加工刀 具硬度、热硬性、耐磨性及可磨性都很好，当切削温度高达 600以上时，硬度仍无明显 下降，并且锋利，动平衡等都很好，这就使得切削过程中，更小的切削震动，更好的刚 性。 粗加工选取大直径刀具，切削效率高，满足粗加工时，刚性好，可以大余量快速去 除。精加工选取小直径刀具，精度高，更稳定，适合结构件壁厚变薄后刚性变差，易震 动的加工时段。 刀具的几何参数中的螺旋角过小，在侧壁切削中，冲击力过大，不利于侧壁的切削， 因此，刀具的螺旋角一般选 30°45°，前角对振动影响较大，随着前角的增大，振动幅 度也会随之下降，但在高速切削中，前角的振动幅度会降低，所以，使用高速设备时对 刀具前角要求不高。刀具后角，适当减小后角对振动的抑制具有一定的效果。 关于刀具底角 R 的选择，R 值越大，切削越钝，震动大，但刀具寿命长，R 值越小， 切削越锋利，震动越小，但刀具寿命短。粗加工时结构件刚性好，可选择 R 值大的刀具， 精加工时刚性差，就需要选择 R 值小的刀具，特别是下断的时候，如果可以，就选 R0 的 刀具进行切削。有时候为了在效率和成本取得平衡，多数时候都底角 R 值，选择 R3。 刀套的选择，一般高速加工使用液压刀柄和热胀刀柄，液压式夹持力大，适用与大 型刀具、重切削，热胀式是通过热膨胀夹松刀具，夹持精度高，主要用在小直径刀具上。 液压刀柄内存在有高压油液压力，当刀具被夹紧时，内藏的油腔结构及高压油的 存在大大地增加了结构阻尼，可有效防止刀具和机床主轴的振动。还具有免维护功 能和抗污能力，而且易于使用和安全地夹紧刀具。所以加工中我们较多选取液压刀 柄。 定定 梁梁 五坐标主轴五坐标主轴 中央电大毕业设计(论文) 六、六、工艺装夹的方式工艺装夹的方式 装夹在加工中也占据着很重要的位置，合理有效的装夹方式，可以有效的增强刚性， 抑制震动。如下图所示 图图 十五十五 我们经过试验件的实验数据总结，设计专用的工装垫板。将此长梁类结构件端头的 凸台沉到垫板平面下，这样结构件腹板面可以大面积支撑在工装垫板上，结构件中间部 分工艺凸台，在工艺设计时与工件连接在一起，最后切断，此时可以充当没有外形一面 的缘条，支撑结构件，增加加工刚性，再利用没有筋条面的腹板面，采用真空吸附形式， 在最后精加工时，壁厚变的很薄的时候，刚性最差的时候，将结构件牢牢吸附在工装垫 板上，抑制切削时的振动，可以有效增强刚性，提高加工效率，切削质量。 实验件加工状态如下图，证实此工艺方案设计选择有效。 凸台下沉凸台下沉 垫板支撑部分垫板支撑部分 真空吸附真空吸附 中央电大毕业设计(论文) 第三章第三章 其他影响因素其他影响因素 第一节第一节 影响变形和刚性的其他可能性影响变形和刚性的其他可能性 一、一、材料材料 不同厂家生产的铝合金材料，如进口铝材和国产铝材，其生产过程可能会存在不一 样，其残余应力也会有所不同，解决变形的方案可能就会出现无效的结果，这样，我们 就需要时刻关注加工材料的情况，在加工中随时做好记录，采集数据，以便完善解决变 形的方案。不同规格的铝合金材料也同样存在这样的问题，如 7045 和 7075，同理也需要 作好记录。 当毛坯加工前，还需要做内部磁力或射线探伤，查看是否有内部缺陷，如果没有检 查，或是没有检查出来，同样会对后面的加工变形和刚性造成影响。需要严格工序流程 安排，不可马虎大意。 再有粗加工去除大余量过后，没有合理的时效，释放切削应力，会造成加工完后一 段时间内再次变形，也需要注意。 二、二、工具工具 主要集中在刀具上，刀具在加工过程中可能会因为寿命，加工余量不合理，主轴转 速和切削进给不协调等问题导致损坏，如果操作人员没有及时发现，损坏的刀具会产生 积削瘤，造成更多的切削热，挤压加工区域，还可能损坏刀套，严重损坏加工设备。所 以要求操作人员要注意观察刀具加工状态，出现问题及时记录，回馈给工艺人员，工艺 人员及时优化改进工艺方案。 也可能在刀具装夹时候，导套没有装紧，松动，或是没装正，没有做动平衡测试， 都导致刀具切削过程中震动过大，影响加工刚性。所以要求操作人员在加工前一定要检 查刀具状态，是否可以使用。 再有设备故障，粗加工时停机时间过长，精加工时异常震动，冷却液系统失灵，切 削堆积未及时排出，也同样会对加工变形和刚性造成影响。所以设备的日常维护和保养 也很重要。 三、环境温度三、环境温度 铝合金同样会热胀冷缩，所以室内温度也会对结构件的加工变形造成影响，所以现在 很多有条件的加工企业，已经在加工厂房内部安装了中央空调，保持加工状态下的环境 温度接近室温（20），以有效的控制加工变形。 中央电大毕业设计(论文) 第四章第四章 本章小结本章小结 随着现代航空航天器性能要求的不断提高,许多骨架结构件尤其是主承力结构件(如航 空航天器的大梁、隔框、壁板、翼肋等)普遍采用由大型整块毛坯直接/挖空而加工成复杂 槽腔、筋条、凸台和减轻孔等整体结构件,材料切除量可达 90%95%. 比如我们选取的此类长梁类结构件，通常包括薄的腹板和由垂直于腹板的薄壁筋板 包围的开放格槽,一般具有单边特征,如图三所示,主要采取高强铝合金预拉伸厚板加高速铣 削的加工方式.在实际加工中,因材料性质、工件毛坯的初始应力状态、加工工艺方案及结 构件几何特征导致加工时容易产生明显的应力释放引起变形和切削振动。 之前控制变形通常采取保守的措施（较低切削参数，增加校正工序），增加成本， 延长加工周期，降低了加工效率。对典型长梁类单边结构件来说,不对称去除材料导致的 工件内切削应力的不对称释放对变形的影响最大，因此本文也主要在工艺结构设计，切 削工艺方案上着重分析。 加工中的振动对铝合金切削影响很大，我们通过控制工艺方案，切削参数，刀具选 择，装夹方式等有效减少和抑制振动，通过试验件的加工验证我们的工艺设计。 结论 如何实现铝合金整体结构件高效精密加工，解决铝合金整体结构件加工变形的问题已 经成为铝合金制造领域核心关键技术。而采用高速切削加工技术，选择合理的刀具参数， 优化工艺方案，对结构件进行合理工艺结构设计、合理的工艺装夹方式等都将是变形、 振动控制最有效的策略。 通过本次对典型长梁类铝合金结构件的加工工艺设计，使我们掌握了铝合金材料切 削加工过程中的变形规律和影响因素，加工刚性的重要性及控制方法，取得的重要的数 据，可以在实际加工中得以普及。并且可以有效提高分析解决问题的能力，为以后的工 作奠定了基础。 参考文献参考文献 【1】王祝堂、田荣璋。铝合金及其加工手册。长沙：中南大学出版社。2001 中央电大毕业设计(论文) 【2】孟少农。机械加工工艺手册。上海：上海科学技术文献出版社。2002 【3】华南工学院，甘肃工业大学。金属切削原理及刀具设计。北京：机械工业出版社， 1978 【4】王志刚、何宁、武凯等。薄壁结构件加工变形分析及控制方案J。中国机械工程， 2002 【5】陈创明。高速铣削稳定性及将变形研究（硕士学问论文）。南京理工大学，2005 【6】杨尧。金属切削加工中的振动分析及控制途径。燕山大学，2004 【7】王志刚、何宁、武凯、赵威。薄壁件加工变形因素综合分析。南京航空航天大学机 电学院，2010 【8】张烘州、戎斌、陈杰、明伟伟。航空铝合金整体结构件数控加工变形控制现状分析。 中国商飞上海飞机制造有限公司、上海交通大学机械与动力工程学院，2012 【9】张晶。减少航空铝合金零件加工变形的途径。中航工业航宇救生装备有限公司， 2013 【10】李鹏。解决铝合金加工变形的方法。中国电子科技集团公司第 27 研究所，2009 【11】毕运波、柯映林、董辉跃。航空铝合金薄壁件加工变形有限元仿真与分析，2008 【12】梅中义、高红、王运巧。飞机铝合金结构件数控加工变形分析与控制。 北 京航空航天大学机械工程及自动化学院、成都飞机工业（集团）有限责任公司制造工程 部，2009 【13】曹岩、白瑀、何