Q400中机身机加框的加工及应用分析

【摘要】本文着重介绍了Q400中机身机加框加工中如何保证零件外形尺寸、控制变形量及防止零件在装配过程中出现阶差的预防及改进，如何利用计算机辅助制造软件进行编程和加工方法的确定。

关键词：机加框；外形阶差；工艺凸台；时效

中图分类号： TU74 文献标识码： A 文章编号：

一、情况介绍

Q400飞机是目前世界上最先进的涡轮螺桨支线飞机，飞行速度快，噪音低，且耗油量低，因此受到世界各地支线航空公司的青睐。沈飞民机公司先后承担成功研制出前机身、后机身、尾段和中机身工作包，进而准备实现前机身、中机身、后机身和尾段的总装连接，组成Q400型飞机整体机身，使沈飞民机整体机身月产量达到5至7架，实现沈飞民机产业的新突破。

Q400中机身是连接机翼的关键结构，其中85361395-101等8项机加框为机身的主体框架结构，原为外方庞巴迪公司供件，每4项机加框在装配时为一组，机加框对接外形经常存在阶差，最多达0.3mm以上，致使蒙皮在装配过程产生铆接波纹，需要特制机加垫片消除间隙，不仅延误装配周期，而且影响产品质量。

现按合同要求由沈飞民机自供应零件，为解决此8项机加框出现的相同装配阶差问题，需要沈飞民机对此问题进行攻关，同时也可节省大量的外购费用。

二、Q400中机身机加框的结构和工艺性分析

2.1 机加框的结构特点及加工难点

此8项机加框有三处加工难点，一是理论外形较多，且外形公差要求较严；二是形体较大，加工中亦变形；三是4个孔位不便刀具探入，需手动加工。

中机身8项机加框零件，选其典型零件85361395-101和其它7个零件的典型部位进行说明。

型腔较多：共23个。

下陷较多：共11处。

弧形较大：最大半径处1346.2。

缘条高度差较大。

狭窄的型腔侧壁上有4个相对位置度公差要求非常高的孔：0.05mm。

理论外形一处X向及Y向有两孔需要镗孔。

2.2 机加框的装配需求

根据装配厂的实际装配情况反映，这几项零件的加工不是唯一的困难，生产出合格的产品并没有完成最终的任务，更关键的是生产出来的零件要完全满足装配的配合要求，见下图。

图3 框零件装配关系图

由上图可知，首先由两个对称的框组成一个圆框，再由两个圆框背靠背装配在一起，组成了中机身的一组框架。要求装配后几近吻合，阶差小于0.1mm，用手感觉不到两框贴合处有台阶。这不仅是一个装配的难点，更是对加工的一个严峻考验。

2.3 外界因素对机加框加工的影响

利用数模进行数控加工为近似加工，影响零件质量的因素有很多，包括人员、机器设备、材料、程序、加工环境。不同的操作人员、不同的机器设备都会对零件的质量产生或多或不少的影响。因此，既使生产的零件都满足公差要求，也可能在装配时出现局部阶差过大的现象，这就给加工又增加了一个难点。

2.4 机加框的工艺性分析

零件毛料分析及公差分析

形体较大：δ101.6*2750*1475，零件的材料牌号为7050-T7451，材料标准为AMS4050，规格4英寸，铝合金，板材。这是铝合金当中比较通用的一种材料，切削性能较好。外形机加公差±0.12mm，配合后公差±0.12mm。

零件制造依据

零件按图纸及装配状态要求建模制造加工，外形数控测量，其余按样板检查。

零件外廓及金属去除率

零件毛料外廓尺寸：δ101.6*2750*1475，毛料重量：1108.25Kg，加工后重量为20.76Kg，金属去除率为(1-20.76/1108.25)*100%=98.13%。

零件的特种工艺及表面处理要求

按PPS32.03(S2T-I04203-99)铬酸阳极化，并按PPS34.08(S2T-I04203-102)喷涂底漆。

按PPS17.03,S2T-I00803-02局部喷丸强化 ，按PPS20.03渗透检查。

2.5产能需求

沈飞民机Q400项目飞机中机身工作包经过2年的快速发展，现阶段客户需求量为每月4架，年产量为48架，后续还要增加产量，总体目标为2年内6架/月。

三、机加框的加工过程论述

3.1零件的加工过程

加工流程：

数控铣切零件毛料两侧定位面，保证尺寸及平面度——按数控程序粗铣零件内形——按数控程序粗铣零件外形——按数控程序精铣零件内形——按数控程序精铣零件外形——钳工——半验——渗透前清洗——渗透——喷丸——铬酸阳极化——喷涂底漆——终检——试装——交付

3.2数控设备选择

从零件结构上分析：零件的尺寸较大，外形为弧形，外形公差和装配公差控制较严。在机床行程足够长的基础上，完全由三座标机床加工，设备加工精度能保证装配零件要求（机床在3米内公差为0.025mm，刀具公差0.02mm），此种选择好处：充份利用现有资源，不抢占紧缺资源。

3.3加工方案的选择

由于零件较大，板材毛料余量大，外形为弧形，采用CATIA中三坐标功能进行加工，工段机床在进行加工中非常顺利，加工效率很高，仅用35小时就完成了零件的加工任务，但是经检验检查证明，由于零件在加工过程中，零件存在变形，而导致零件的外形尺寸无法保证，外形尺寸有的部位合格，有的部位大于公差上限近3mm。

变形机理的分析：由于锻压或挤压的过程使得材料内部产生了巨大的应力，经过热处理以及之后的时效或预拉伸等工艺方法，消除了大部分的应力，但不可能完全消除它们，剩余的就是残余应力。残余应力的分布基本是：外层为压应力，内层为拉应力。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面，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。如果是加工平面，则产生弯曲变形；如果是加工机加框的一侧外形，则导致侧弯。当继续加工另一面时，会发生同样的作用，重要的区别在于“同时发生作用的另一侧外层的压应力”已不复存在。因此第二面加工所产生的力没有第一面大，它不足以消除已经发生的变形。随着加工的不断进行，应力也随之不断的变化着，重新组合着，当加工结束时，变形也就产生了。

因此如何采取有效工艺方法既能发挥数控的最大效率又能有效控制变形是关键点之一，为此采取以下措施:

①.增加关键位置工艺凸台,粗铣时工艺凸台大小位置很关键,进行多次打平面，控制设定的加工基准，并2次时效消除零件加工时内部产生的应力。

②.均衡加工：加工轨迹及加工顺序要均衡，不能集中加工某一部位，使其产生集中变形，不易恢复；分层加工，使变形逐步产生，不至于一次过大，通过加工余量来补偿变形。

③．程序的编制上，充分考虑变形因素，精铣的程序也分两层，尤其在外形的加工控制上，程序在最后一层切削前设置中停命令，以便工人检查，保证外形加工准确。选择好的刀具、充分的冷却，一定限度的减小变形。

通过上述措施，有效的控制零件由于变形导致的超差、报废，提高零件制造效率和合格率，降低零件的制造成本

3.4采用CATIA进行程序编制，利用VERICUT进行程序仿真

CATIA（Computer-graphics Aided Three-dimensional Interactive Application）是法国Dassault公司于1975年起开始发展的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件。其功能强大而完美，是目前国内几乎所有的航空厂，半数以上的汽车厂都使用的一套软件。我公司现使用的软件达到版次V5R18。使用CATIA中加工模块对机加框零件进行编程，根据零件各个部位的零件结构特点，分别采用CATIA中相应的功能编制零件加工程序。

VERICUT软件是现在工程技术人员进行零件编程后，仿真软件之一，他对零件加工用的前置程序，G代码等零件加工用程序进行时时仿真，以检查零件编程当中，存在的问题，和对模型的铣切程度。可在零件实际加工前对零件的加工过程有一个全面的了解，对铣切铣伤部位进行再编程，对残留部位进行补加工，从而减少了零件在编程后直接用于生产而产生的超差品和报废的发生概率。为节约零件的材料成本提供了保证。

下图显示零件CATIA建模增加工艺凸台和使用VERICUT进行演示的毛料和零件加工后的仿真状态。

图6 确定加工基准及增加工艺凸台

3.5编程容差设置及注意的问题

对于粗加工，由于后面还有精加工，不要求保证零件尺寸和表面质量，为了提高效率，容差（tolerance）设为加工余量的五分之一至三分之一。精加工是最终加工，为了保证零件尺寸和表面光洁度，体现的是一种要求，容差一般设为0.01—0.02。

在编制程序运动轨迹时，一定要注意毛料的存在，合理安排压紧余量及外形加工余量，使之利于零件的压紧与加工。同时，利用宏指令编辑进退刀命令时，一定要注意，避免扎刀及撞刀现象，一旦出现扎刀或撞刀，轻则损伤刀具，报废零件，重则引起机床故障。

四、机加框零件的实际加工控制

4.1刀具选择及切削参数的确定

由于零件的加工量比较大，尤其在粗加工阶段毛料去除量比较大，这种情况下为了提高效率，往往选用比较大的刀具，当然，不宜选择过大直径的刀具，因为在一定条件下，随着刀具直径的增大，则主轴切削消耗的功率随之增大，切削性则会降低。在这里选用φ32R0，考虑到与腹板相连的缘条高为90mm，刀具长度不宜选择太长以免刀具刚性受到影响。在半精加工、精加工阶段由于加工余量不是很大，对刀具刚性的要求不是很高，满足要求即可，特别是在精加工阶段需要加工零件的内形转角，刀具的直径受到限制。所以在这两个阶段，刀具的选择要适当。

切削参数的选择需要综合考虑，对于不同的刀具材料加工不同的零件材料时选用的切削参数不同。另外，对于不同的加工目的，选取的切削参数也不同，粗加工是为了去除大部分余量，因此，切削参数要尽可能的选取上限值，精加工为了保证零件的尺寸和表面光洁度，则需要选取合适的加工参数。

切削参数还应根据零件加工的具体部位进行调整，尽量合理。基本遵循“刀具越小刚性越差，轴向和径向分层增加，进给速度减小”的原则。

铣切加工中使用的参数如下表：

4.2外界因素的控制

针对大框的装配特点，我们也有针对性的制定了加工方案，采用同机、同人、镜像件、成对加工的方式，尽可能的减少由于外界因素而带来的机加框外形变化，具体见下表。

设备、人员、镜像程序件及配对加工件

4.3实际加工过程控制

通过理论及现场的多次加工试验，总结出控制零件变形，并保证装配要求的工艺方法，就是打平面、粗加工、时效、打平面、半精加工、时效、打平面、精加工、成品试装。具体方法如下：

4.3.1打平面并进行粗加工

打平面后，粗加工，单边留8mm，并且四周留出工艺凸台（共22处，每处不得小于150mm），切断。

打平面刀具：φ160盘铣刀切深：2mm转数：2000进给：F2000

粗加工刀具：φ32R0切深：3mm转数：4800进给：F5500

4.3.2首次时效

配对零件按镜像件加工切断后进行时效，释放加工应力，时效时间不得小于48小时。

4.3.3第一次打平面

打平面，自由状态下打平面，先正面后反面，采用挤压方式。刀具：φ160盘铣刀切深：2mm转数：2000进给：F2000

4.3.4半精加工

半精加工，单边留2mm余量。

清转角刀具：φ20R5切深：10mm转数：2000进给：F1800

半精铣外形刀具：φ30R0切深：10mm转数：2500进给：F2000

半精铣内形刀具：φ30R5切深：10mm转数：2500进给：F2000

4.3.5第二次时效

第二次时效，释放加工应力，不得小于24小时。

4.3.6第二次打平面

打平面，第1面自由状态下打平面，采用挤压方式，第2面压紧保证尺寸。

打平面刀具：φ160盘铣刀切深：2mm转数：2000进给：F2000

4.3.7精加工并半检

精加工零件，并钳工修整到半检状态。

清转角刀具：φ20R5切深：15mm转数：3000进给：F2500

精铣外形刀具：φ30R0切深：15mm转数：3000进给：F2500

精铣内形刀具：φ30R5切深：15mm转数：3000进给：F2500

4.3.8成品试装

零件半检后，经过表面处理达到成品状态，并进行成品装配。

五、机加框应用效果验证

实施改进的加工方法后，Q400中机身机加框质量明显有很大提高，我们对沈飞民机8项生产的机加框进行装配验证，对装配情况进行了跟踪检查，如下表。

配对装配机加框 85361392-101与85361393-101 85361392-102与85361393-102 85361394-101与85361395-101 85361394-103与85361395-103

第1架试装外形阶差 最大0.13 最大0.12 最大0.13 最大0.13

第2架试装外形阶差 最大0.13 最大0.13 最大0.12 最大0.12

第3架试装外形阶差 最大0.12 最大0.13 最大0.15 最大0.14

第4架试装外形阶差 最大0.13 最大0.13 最大0.16 最大0.13

第5架批量外形阶差 最大0.12 最大0.10 最大0.12 最大0.11

第6架批量外形阶差 最大0.11 最大0.11 最大0.13 最大0.12

第7架批量外形阶差 最大0.12 最大0.12 最大0.11 最大0.13

第8架批量外形阶差 最大0.10 最大0.11 最大0.12 最大0.11

由上表，机加框装配外形平均阶差0.12，完全满足图纸及装配要求，因机加框装配外形质量的提高，保证了产品交付的准时性，庞巴迪客户对民机公司机加框的制造给了很高的赞誉，并且希望机加供应商能提供关键的加工数据给客户进行研究。

六、结束语

随着计算机技术的快速发展，现代加工技术也得到了前所未有的提高。CATIA及VERICUT就是其中的典型代表，当然随着时间的发展，会有更多更先进的加工方法出现，我们要充份利用这些先进方法为我国的航空事业做出贡献。