1. 绪论
7075铝合金是一种高强度铝合金，因其高强度与轻量比，适用于需要高强度和低重量的结构应用，包括航空航天部件、高性能汽车部件等[1]。在加工7075铝合金薄壁零件时，热力耦合作用可能导致残余应力、疲劳失效和形状变形。铣削过程中的切削力可能对其形状和质量产生不利影响。需要考虑该材料由于其刚性低而易于变形的特性。正确的工具选择和工艺控制对于获得所需的表面粗糙度和尺寸精度至关重要。针对7075铝薄壁零件的切削加工，学者们开展了广泛的研究。研究的主要方向包括：工艺优化、工具研究等。由于航空铝合金7075薄壁件在加工过程中易受残余应力和切削力的影响，国内学者通过改进工艺路线来降低变形。例如，采用“粗加工→去应力热处理→半精加工→时效处理→精加工”的多阶段加工策略，有效减少加工变形。部分研究还结合有限元仿真(如ABAQUS、Deform)预测切削过程中的应力分布，优化切削参数以减少变形。
在切削机理方面，哈尔滨工业大学通过实验和仿真研究了7075铝合金的切削力、切削温度分布，发现高速切削时易产生积屑瘤，导致刀具黏着磨损。研究多聚焦于硬质合金刀具(如YG类)和涂层刀具(TiAlN、DLC涂层)，但对超硬刀具(如PCD、CBN)的系统性研究较少。切削过程中材料动态变形、绝热剪切带的形成机制尚未完全明确，多尺度仿真与实验验证结合不够。缺乏针对7075铝合金高硅含量(约0.4%)的专用刀具涂层设计，涂层与基体结合强度问题未彻底解决。对于实时监测(如声发射、力信号)的自适应切削系统研究较少，工艺参数动态调整能力不足。
在工艺优化方面，研究者们对7075铝薄壁零件的切削参数，如切削速率、进给速率、切削深度等进行了系统的研究，以最大限度地提高加工效率和生产质量。学者们通过对切削速率、进给速率、切削深度等参数的实验研究，试图找到最佳的加工参数。陈晓雨等[2]采用有限元分析软件ADVANTEDGE FEM软件建立了薄壁零件切削三维模型，研究结果表明，刀具的直径大小直接影响着零件的变形，刀具直径越大和零件的变形越大，切削力越大，零件的变形量就越大，并且零件的变形会随着切削深度的增加而增加。薄壁零件的中间位置是最容易发生变形的位置，因此建议切削薄壁零件时，应采用小的切削参数来降低切削力，从而达到减小零件变形的目的[3]。赵凯等[4]利用有限元软件DEFORM建立了7075-T7451薄壁零件的切削模型，仿真分析了该零件的变形结果，最后采用试验验证的方式，验证了仿真结构的可靠性，仿真和试验的误差的主要来源为装夹误差。吴竹溪等[5]采用ABAQUS软件建立了7075-T7451限元分析模型，并且采用优化的人工神经网络方法，建立了不同刀具后角和螺旋角对工件变形的预测模型，预测误差小于百分之六，最后采用遗传优化算法得出当刀具后角为6°和螺旋角为30°时，薄壁零件的铣削表现最小。秦国华等[6]提出了基于残余应力释放的航空结构件加工变形模型与结构优化方法，针对存在毛坯内部的残余应力的等效转为施加在毛坯外侧的力，采用材料弯曲理论建立起毛坯变形的铝厚板内初始残余应力释放模型，并且采用有限元的方法验证数学模型的正确性，该方法能够预测零件整体结构的变形。岳彩旭等[7]指出在薄壁零件切削精加工阶段，往复走刀路径比单向走刀路径更能减小零件的应力变形。
飞机舱门是典型的7075铝薄壁航空结构件。对7075铝薄壁航空结构件进行铣削加工研究有助于提高加工效率和生产质量，增强航空结构的安全性，并提升航空制造业的竞争力。因此，研究7075铝薄壁航空结构件的铣削加工具有重要意义。
2. 工艺安排
2.1. 零件结构分析
飞机舱门属于典型的飞机零件之一，该零件材料为航空铝7075，毛坯尺寸为1110 mm × 650 mm × 60 mm，些结构件通常比较大，切削去除量也比较大，腹板薄壁，多为直边，因此在加工过程中要求切削工具具有较高的稳定性和切削效率。其结果如图1所示。
Figure 1. Aircraft door
图1. 飞机舱门
综合各项特点，加工设备选用亚太菁英五轴高速龙门加工中心，如图2所示，型号为MT1530，该机床搭载AGA高功率主轴，转速最高24000 r/min，功率可达60 Kw，在切削铝合金时具有高效率的特点。
Figure 2. Asia Pacific elite five axis high speed gantry machining center MT1530
图2. 亚太菁英五轴高速龙门加工中心MT1530
2.2. 残余应力释放工艺槽设计
毛坯残余应力是影响大型航空结构件加工精度的关键因素之一[8]。在材料成型、热处理及机械加工过程中，由于温度梯度、相变及塑性变形等因素，毛坯内部会形成不均匀的残余应力分布。这些应力在后续加工过程中逐步释放，导致工件产生翘曲、扭曲等变形问题，严重影响零件的尺寸精度和装配性能。因此，如何在加工前有效释放或均衡毛坯残余应力，成为提高航空结构件加工质量的关键技术难点。针对飞机舱门等大型铝合金结构件的加工需求，本研究提出了一种优化的应力释放槽设计方案。具体措施包括：在毛坯上加工9处半开式应力释放槽(如图3所示)，槽的深度设置为毛坯厚度的1/2，以确保在粗加工阶段为材料内部应力提供充分的释放空间。应力释放槽采用两侧错开分布的形式，避免应力集中；同时在一侧角落断开工艺台，进一步增强应力释放效果。这种设计能够有效切断毛坯内部的应力传递路径，促使残余应力在粗加工阶段均匀释放，从而显著减少后续精加工时的累积变形。
实际加工验证表明，该应力释放槽设计具有以下优势：首先，半开式结构在保证应力释放效果的同时，避免了因完全开槽导致的毛坯刚性下降问题；其次，错开分布的槽位布局可均衡应力释放过程，防止局部变形过大；最后，工艺台的断开设计进一步提升了应力释放效率。采用三坐标测量仪器对加工后产品(如图4所示)进行检测，零件产生的最大的变形误差为0.3mm，在设计范围0.8mm内。这一研究成果为大型航空结构件的低应力加工提供了可靠的技术方案。
Figure 3. Stress relief tank design
图3. 应力释放槽设计
Figure 4. Machining result
图4. 加工结果
2.3. 加工工艺流程设计
零件分为正反两面加工，为降低翻面次数，提高加工效率。加工工艺流程流程为第一面粗加工，第二面粗和精加工，第一面精加工。零件加工程序单如表1所示。
Table 1. Processing program list
表1. 加工程序单
零件名称 |
舱门 |
生产阶段 |
S |
|
设备名称 |
APEC-MT1530 |
生产批次 |
1 |
材料牌号 |
7075 |
工装号 |
YT-037 |
加工数量 |
2 |
原点号 |
1 |
工步 |
加工内容 |
刀具类型 |
刀具规格 |
转速 |
进给 |
切深 |
运行时间 |
1 |
正面开粗 |
可转位刀片刀具 |
D50R3.1 |
20,000 |
11,000 |
5 |
40 Min 59 S |
2 |
正面二粗 |
整体硬质合金 |
D20R3 |
18,000 |
6000 |
3 |
30 Min 27 S |
3 |
铣基准孔 |
整体硬质合金 |
D16R0.5 |
16,000 |
3000 |
0.5 |
1 Min 21 S |
4 |
反面开粗 |
整体硬质合金 |
D16 |
18,000 |
6000 |
3 |
20 Min 27 S |
5 |
侧壁精 |
整体硬质合金 |
D16 |
18,000 |
5000 |
8 |
5 Min 26 S |
6 |
侧壁圆角精 |
整体硬质合金圆弧铣刀 |
D6 |
15,000 |
5000 |
0.5 |
1 Min 31 S |
7 |
侧壁弧面精 |
整体硬质合金 |
D12R3 |
18,000 |
4500 |
0.2 |
18 Min 48 S |
8 |
侧壁直边精 |
整体硬质合金 |
D12 |
18,000 |
5000 |
2 |
32 S |
9 |
修基准孔 |
整体硬质合金 |
D16R0.5 |
16,000 |
3000 |
0.5 |
1 Min 22 S |
10 |
正面筋位精 |
整体硬质合金 |
D16 |
16,000 |
5000 |
1 |
6 Min 24 S |
11 |
壁角开粗及精 |
整体硬质合金 |
D12R3 |
18,000 |
5000 |
0.3 |
30 Min 55 S |
12 |
清圆角 |
整体硬质合金 |
D10 |
17,000 |
5000 |
2 |
11 Min 53 S |
13 |
腹板半精 |
整体硬质合金 |
D16 |
18,000 |
5000 |
1 |
26 Min 39 S |
14 |
腹板精 |
整体硬质合金 |
D10R1 |
15,000 |
5000 |
0.2 |
16 Min 49 S |
15 |
侧壁半精 |
整体硬质合金 |
D16 |
18,000 |
6000 |
16 |
3 Min 16 S |
16 |
侧壁精 |
整体硬质合金 |
D16 |
18,000 |
5000 |
16 |
3 Min 36 S |
17 |
壁角圆角半精及精 |
整体硬质合金 |
D6R3 |
18,000 |
4500 |
0.2 |
11 Min 20 S |
18 |
直边跟部圆角精 |
整体硬质合金 |
D16R3 |
18,000 |
6000 |
0.5 |
8 Min 23 S |
19 |
侧壁精 |
整体硬质合金 |
D6 |
16,000 |
3500 |
0.5 |
1 Min 4 S |
20 |
孔开粗及精 |
整体硬质合金 |
D20 |
18,000 |
5000 |
3 |
5 Min 07 S |
21 |
工艺筋切断 |
整体硬质合金 |
D20 |
18,000 |
5000 |
0.5 |
5 Min 28 S |
2.4. 加工程序编制
以NX2007软体为平台，根据工艺流程编制每一步的加工程序，其中选取的策略、编程模板，刀轨参数如表2所示。
Table 2. Knife track strategy
表2. 刀轨策略
工步 |
编程模板 |
策略 |
刀轴矢量 |
余量 |
1 |
mill_contour |
型腔铣 |
0，0，1 |
3 |
2 |
mill_contour |
型腔铣 |
0，0，1 |
3 |
3 |
hole_making |
孔铣 |
0，0，1 |
0 |
4 |
mill_contour |
型腔铣 |
0，0，1 |
3 |
5 |
mill_planar |
平面轮廓铣 |
0，0，1 |
0 |
6 |
mill_contourr |
深度轮廓铣 |
0，0，1 |
0 |
7 |
mill_contourr |
深度轮廓铣 |
−0.25，0.036，−0.966 |
0 |
8 |
mill_planar |
平面轮廓铣 |
0，0，1 |
0 |
9 |
hole_making |
孔铣 |
0，0，1 |
0 |
10 |
mill_contour |
固定轮廓铣 |
0，0，1 |
0 |
11 |
mill_contourr |
深度轮廓铣 |
0.219，0，−0.97 |
0 |
12 |
mill_contourr |
深度轮廓铣 |
0，0，1 |
0.1 |
13 |
mill_planar |
底壁铣 |
0，0，1 |
0.1 |
14 |
mill_planar |
底壁铣 |
0，0，1 |
0 |
15 |
mill_planar |
平面轮廓铣 |
0，0，1 |
0.1 |
16 |
mill_planar |
平面轮廓铣 |
0，0，1 |
0 |
17 |
mill_contour |
引导曲线 |
|
0 |
18 |
mill_planar |
平面轮廓铣 |
0，0，1 |
0 |
19 |
mill_planar |
平面轮廓铣 |
0，0，1 |
0 |
20 |
mill_contour |
型腔铣 |
0，0，1 |
0 |
21 |
mill_planar |
平面轮廓铣 |
0，0，1 |
0.2 |
3. 侧壁精加工刀具整体硬质合金圆弧铣刀的选用
传统的球头铣刀由于刀具悬伸长，刀体刚性不佳，排屑不畅，切削振动较大，容易导致薄壁零件出现“过切”或“欠切”现象，并且刃口磨损较快，易发生崩刃和破损，甚至会导致刀具折断。整体硬质合金圆弧铣刀的刃部为圆弧形状，适用于对工件进行曲面铣削，具有高强度、高硬度、高耐磨性等特点，能够有效提高加工效率和加工质量。刀刃部位的半径大于刀尖半径可以有效的提高刀具刚性和减少振动，允许更大的切削深度可以有效的提高加工效率，并且能够有效的降低表面粗糙度，图5所示。
Figure 5. Cutting comparison between ball cutter and solid carbide arc milling cutter
图5. 球刀和整体硬质合金圆弧铣刀切削对比
4. 刀具轨迹的优化
4.1. 开粗功法优化
针对零件加工过程通过刀轨优化，在保证零件的加工质量的同时能够提高加工效率改善和提高。深度优先(Depth First)路径规划方式是指，在加工型腔时，刀具首先沿着一个型腔的切削深度方向深入工件，直到达到所需深度，在跳转到另外一个型腔进行加工，直到加工任务的完成。
在进行型腔铣开粗加工加工时，路径规划应遵循最短路径原则，并尽量减少切削次数和刀具停留时间，以提高加工效率和保护刀具。开粗采用D50R3刀具进行大切深开粗，采用功率计算来进行开粗，深度优先的策略提高开粗效率，减少抬刀。传统的工艺采用层切小切深，跳刀多增加加工时间。如图6大切深跳刀少，图7小切深跳刀多。优化过后加工时间为1 H 03 Min 37 S缩短为40 Min 39 S，效果显著提升。
Figure 6. Large cut depth
图6. 大切深
Figure 7. Subcut
图7. 小切深
4.2. 侧壁精加工优化
由于侧壁为直壁，没有圆弧面，故采用大切深进行半精，改变传统少量层切，如图8少量层切。在满足加工精度条件下，将少量层切改为大切深，在配合刀具的加持长度短，刚性强，转速高等特点进行优化，如图9所示。优化过后时间由55 Min 52 S缩短为18 Min 30 S，效果显著提升。轮廓切削用于创建一条或者指定数量的刀轨来完成零件侧壁或轮廓的切削。可以用于敞开区域和封闭区域的加工。轮廓切削加工方式通常用于零件的侧壁或者外形轮廓的精加工或者半精加工。
Figure 8. Small layer cut
图8. 少量层切式
Figure 9. Large cut depth
图9. 大切深
5. 程序的优化
VERICUT Force能够在指定的切削材料、切削刀具和加工条件优化出高效的NC程序。本次优化方法采用屑厚和力组合方法，通过最可能的保证切屑厚度和限制最大切削力的方式，来不断的调整程序中的进给率[9] [10]。如图10优化节省时间器所示，原始的加工时间是39 Min 22 S，优化的切削时间为31 Min 27 S，时间节省了20.1%。时间节省的原因是，在最大切削厚度为零或者切削厚度没有达到预设定的最大值时，可以通过提高进给率，程序优化结果如图11所示，从而达到节省加工时间的目的。
Figure 10. Optimize the time saver
图10. 优化节省时间器
Figure 11. Program optimization result
图11. 程序优化结果
6. 结论
针对大型飞机结构件飞机舱门的加工工艺，本研究从毛坯预处理、切削策略、刀具选择及程序优化等方面进行了系统分析，并提出了相应的优化方案。通过实际加工验证，优化后的工艺显著提高了加工精度和效率。未来可进一步研究自适应加工技术，结合在线监测系统，实现加工参数的实时调整，以应对更复杂的航空结构件制造需求，本研究为大型航空结构件的高效精密加工提供了可行的工艺方案，对类似零件的制造具有参考价值。
基金项目
2024年西安航空职业技术学院教改课题，校企合作典型生产实践项目建设与实践研究——以高端制造特训班为例(24XHJG17)。
NOTES
*通讯作者。