航空镁合金镂空支架的加工探索

航空镁合金镂空支架的加工探索

褚圣先

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江 哈尔滨 150066

摘要：某航空公司的三种镁合金支架是镂空支架形状，骨架比较单薄，尺寸比较大。对支架3D数模进行分析，综合考虑支架形状、精度、材料、质量等因素，对三种支架的毛坯进行合并加工。本文是探索航空镁合金镂空支架的一种稳定的、可靠的加工方法，从而为类似零件加工提供一定的借鉴和参考。

关键词：航空；镁合金；镂空支架；加工

一、支架结构与加工

    三种镁合金支架是镂空支架形状，骨架比较单薄，尺寸比较大，为促进试验生产的进程，要求由3D数模编程保证尺寸和形状精度。对支架3D数模进行分析，综合考虑支架形状、精度、材料、质量等因素，对于切削刚性差、定位难等一些问题，使用过定位工艺凸台装夹进行解决。按照3D数模设计成型刀加工，确保零件加工的进度和质量，同时减少夹具的数量，使加工中的一些问题得到解决。因此异型支架零件的加工形状和尺寸等都以设计的3D数模为准，轮廓、曲面加工直接进行3D数模编程加工，轮廓是221mm*246mm*51mm，是三种异型支架外形的3D数模，零件材料是ZM5A，按要求加工形状、尺寸等数据都以设计的3D数模为准，轮廓、曲面加工直接进行3D数模编程加工。孔径公差均为按H８级，长度超过50mm时，公差为±0.1mm；长度不超过50mm时，公差为0.05mm。

二、问题以及解决措施

（一）毛坯形状、尺寸，加工装夹的设计

    综合考虑、分析三种异型支架的结构特性、3D数模和使用要求，决定选择铸造镁合金材料ZM5A对毛坯进行铸造。在进行加工前，先考虑镁合金铸造时易出现一些铸造缺陷，比如夹渣、缩松、浇不足、砂眼、夹砂、气孔、缺肉、错型等等，所以要放大零件的尺寸外形[1-2]。之后，考虑加工进度、装夹定位质量和可靠、加工方案为三种支架同毛坯、铸造模具简单等要求，对支架零件的3D数据进行叠加综合分析，毛坯形状设计为整体为立方体，尺寸分别是260mm*270mm*60mm（大于支架外形轮廓）。最后，设计装夹定位工艺凸台，其可保证后续加工定位良好、支撑刚性良好。

（二）加工过程设计

    对于毛坯的上下两面进行加工，按照余量对称的方式，讲零件上下两个端面分三次加工到最终厚度，且满足其他要求尺寸，进行工艺凸台设计加工。早12个直径为10mm的孔进行分工序加工时，要确保两侧的同轴度，同时两侧的倒角均为1mm*45°。正反面定位后续加工时，用内六角头螺栓（6个直径6.5毫米）进行过孔，用于过程中固定工件加工。两面为沉入内六角头螺栓头设计15mm的孔深，避免加工过程中出现干涉问题，确保刀具伸出长度最小，进而确保切削稳定、可靠，保证零件可以一次装夹加工到位，减小零件变形，提高产品质量，提高合格率。

（三）降低成本

    选择其他报废零件对过定位装夹夹具进行制作，在高精度加工过程中，常采用过定位，是一种行之有效的可重复定位、高精度定位的方式，比如数控大型立车换刀定位、高速加工中心主轴以及刀柄定位等，过定位除了可重复定位、可靠定位之外，还可显著的减少定位间隙，提高定位接触面，使整体刚性提高[3]。在本文中，通过该方法对三种异型支架零件进行加工，可有效提高异型支架零件加工过程中整体刚性，且使加工质量提高。零件工艺凸台设计和加工匹配的过定位装夹夹具具体方法：通过报废零件铣削出6处直径为10毫米的凸台，高度为5毫米，且倒角大小为1mm角度为45°，同零件适配的工艺凸台设计的孔（12处直径为10毫米），定位凸台的实际定位高度约为3mm，有利于方便凸台拆装以及小公差孔。凸台（6处直径10毫米）顶面上，加工出螺纹孔（6处螺纹规格为M6），螺纹深度超过15mm，确保后续装夹过程中螺纹强度足够。

（四）三种异型铸镁合金支架合并加工工序内容

    装夹零件，选择工艺凸台设计对称中心设为机床编程坐标系的X0和Y0，选择夹具上端面（零件底面）设为机床坐标系的Z0[4]。先对凹面进行加工，确保在零件的刚性最强切削掉较多的余量，而且零件在反面加工时会自然形成拱桥状的结构，从而保证后续加工的刚性，确保加工能够顺利地进行。把凹面上台阶面加工到规定尺寸，经镗削方法对通孔进行加工，留有1mm的余量，便于精镗孔到规定尺和反面加工校正编程坐标。在凸面加工时，找正镗削通孔的校正编程坐标X0和Y0， 把零件代加工顶面设为Z0，确保对刀基准重合，进而保证加工精度，充分体现过定位装夹优势，加工精镗孔到规定尺寸和凸面台阶孔。

（五）异型铸镁合金支架生产过程

    按照3D数据编程模型，把三种异型铸镁合金支架线框边界提取出来，通过2D加工方法在数控加工中心上进行铣削，按照每种异型铸造镁合金支架的零件图尺寸，加工出三种异型支架[5]。

（六）成型铣刀设计

    按照3D数据编程模型，对凹面、凸面线架和尺寸数据进行分别采集，且分别设计出正反燕尾清角成型铣刀，通过原夹具进行装夹，剩余部位通过卧式四轴加工中心按零件图尺寸将其加工到位，期间需保证零件的加工精度，首次加工时需要对每个尺寸进行测量，保证零件合格。

（七）去除工艺凸台设计

    在3D数据编程模型上把凸面提取出来，并进行翻转，因为工艺台设计连接是在凹面侧斜面上，所以编程加工对凸面朝下一个零件的印模定位型面进行编程加工[6]。在定位型面上对适配零件上通孔心轴进行加工，采用零件头部侧边对角方向进行限制，完成切削工艺台设计的定位要求。选择防护压紧方法，按照3D数据编程模型，得到切削工艺台设计加工程序，再在数控机床上使用该加工程序进行加工，按零件图进行最终的加工[7]。

三、小结

    分析3D数据编程模型，并且结合成型铣刀、夹具、工艺凸台等设计，同时使用过定位技术，确保零件准确可靠的定位，保证加工刚性，而有效的解决加工过程中所产生的残余应力释放变形的问题。本文所采用的加工方法可提高产品加工的效率，同时可保证产品质量。探索出航空镁合金镂空支架的一种稳定的、可靠的加工方法，从而为类似零件加工提供一定的借鉴和参考，达到提质增效的目标。

参考文献：

[1] QIU-HONG YUAN, LIN LIAO, GUO-HUA ZHOU, et al. ZM1 magnesium alloy reinforced by carbon nanotubes using an improved casting process[J]. 稀有金属（英文版）,2021,40(5):1275-1283.

[2] SUO FAN, HE-BAO WU, JIN-XIU FANG. Microstructure and mechanical properties of AZ91D magnesium alloy by expendable pattern shell casting with different mechanical vibration amplitudes and pouring temperatures[J]. 中国铸造，2021,18(1):1-8.

[3] 李创奇. 航空镁合金镂空支架的加工探索[J]. 金属加工（冷加工）,2019,27(s2):82-85.

[4] 孙瑜,郑祖杰,圣冬冬,等. 航天大型复杂结构件数控加工编程技术发展现状与趋势[J]. 工具技术,2021,55(6):13-17.