趙寬，石端

低溫風洞試驗模型加工工藝應用研究

趙寬1，石端2

（1.中國空氣動力學研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000；2.成都凱迪精工科技有限責任公司，四川 成都 610041）

為解決低溫風洞試驗模型加工周期長、刀具磨損嚴重、工件易變形等問題，通過采用國產(chǎn)18Ni(200)低溫鋼材加工二元翼型和支桿模型，對影響模型加工質(zhì)量、效率和成本的刀具類型、切削速度、進給量、切削深度、打磨方法等工藝參數(shù)進行選型和優(yōu)化，得到了加工該種材料模型的最優(yōu)工藝參數(shù)組合及流程。通過加工大展弦比半模機翼模型，驗證了工藝優(yōu)化結果的可靠性，給出了該類長薄構型部件加工變形控制的方法和建議。

低溫；風洞；模型；加工工藝

低溫風洞是用于進行大型跨聲速飛行器（大型客機、大型運輸機、遠程作戰(zhàn)飛機等）飛行雷諾數(shù)模擬的地面試驗裝置，其最低運行溫度可達110 K。相比常規(guī)風洞，低溫風洞嚴苛的運行環(huán)境不僅要求試驗模型材料具有更高的強度和低溫韌性，以保證試驗設備安全，還應具備更高的表面加工質(zhì)量，保證試驗數(shù)據(jù)準確可靠。常用的30CrMnSinA、17-4PH、Q235等模型材料均不能滿足77 K下屈服強度不小于1000 MPa、斷裂韌度不小于93 MPa·m1/2[1]的低溫模型材料選取條件。國外低溫風洞廣泛采用18Ni(200)鋼材（G90、ASTMA579-70）加工試驗模型。國內(nèi)近期成功研制出該種鋼材，各項力學性能指標均優(yōu)于進口產(chǎn)品[2]。

相比常規(guī)風洞模型技術要求，低溫模型表面粗糙度由0.8提高到0.2；關鍵部件（如機翼）的尺寸公差范圍由0～＋0.08 mm提高到0～＋0.04 mm；模型表面靜壓孔孔徑由0.8 mm減小至0.2 mm[3]，氣密性和通氣性需滿足GJB 569A－2012[4]要求；表面填充材料打磨后的表面粗糙度不應高于0.4，在低溫、承載條件下能保證填充結構和外型面的穩(wěn)定性。

基于模型材料特性及模型技術指標要求，低溫模型相比常規(guī)模型需要更長的加工周期、更高的加工成本，以及更精準的加工工藝參數(shù)選擇[5]。目前國內(nèi)僅以進口的18Ni(200)鋼材加工過四套低溫模型。由于進口材料（圖1）供貨狀態(tài)為最終的時效處理態(tài)，高達HRC51的表面硬度給后續(xù)的開坯、粗精銑削等加工工藝環(huán)節(jié)帶來很大麻煩。主要表現(xiàn)為刀具使用壽命短、損耗大、加工效率低、工件表面粗糙度大、機翼部件加工易變形等。采用進口材料的低溫模型生產(chǎn)周期和加工成本分別是同尺寸常規(guī)材料模型的2～3倍和3～４倍。采用初始硬度較低的固溶態(tài)國產(chǎn)18Ni(200)鋼材（HRC30左右），可以大幅降低模型粗加工階段的難度，但依然面臨工藝參數(shù)的選型和優(yōu)化。例如設備主軸轉速、進刀量、切深等因素會大幅增加刀具的磨損率，同時還會因設備損耗、刀具更換造成工時浪費。極端情況下，模型外形會因為刀具磨損而產(chǎn)生超差，最終導致后續(xù)工藝處理無法達到所需的尺寸要求。

圖1 進口18Ni(200)鋼材鍛件

低溫模型最重要的加工步驟在于翼型截面，如機翼、垂尾和平尾等部件的數(shù)控銑。在粗、精銑過程中必須采用正確的參數(shù)設置，最大程度地減小模型表面加工應力和刀具磨損，提高工件表面加工質(zhì)量。受熱處理和表面應力的影響，機翼外形的長薄部件在加工過程中不可避免的翹曲變形也給加工帶來很大挑戰(zhàn)。

本文采用國產(chǎn)18Ni(200)鋼材加工低溫模型典型部件，對最常用的車削、銑削工藝參數(shù)進行優(yōu)化研究；通過加工大展弦比半模機翼部件，對長薄部件加工變形抑制方法進行研究。

1 車削、銑削工藝參數(shù)優(yōu)化研究

1.1 試驗方案

分別以車削工藝加工100 mm直徑的類支桿模型、以銑削工藝加工二元翼型模型，如圖2所示。

圖2 車削、銑削加工示意

在相同體積材料去除量的情況下，通過檢驗加工過程中工件表面粗糙度和刀具磨損程度，分別對粗、精加工兩個階段所用車刀和銑刀進行選型[5]，對前角0、后角0、進給量、切深a、切削速度V等參數(shù)進行組合優(yōu)化。每次試驗對單一參數(shù)變量進行驗證，流程如圖3。支桿模型備料尺寸110 mm×510 mm，二元翼型模型備料尺寸40 mm×160 mm×400 mm。在材料固溶狀態(tài)下進行粗加工，在時效狀態(tài)下進行精加工。車削設備采用CA6140型數(shù)控車床，加工精度0.02 mm；銑削設備采用2033VMC型數(shù)控銑床，加工精度0.01 mm。采用TR200型手持式粗糙度儀對各試件表面粗糙度進行測量，檢測精度0.01 μm。

{}opt為{}內(nèi)的參數(shù)組合優(yōu)化的結果，每步對單參數(shù)變量進行實驗驗證，獲得該參數(shù)的最優(yōu)值后，固定該變量，繼續(xù)進行其他變量優(yōu)化；F(a0) opt為優(yōu)化驗收的試驗過程；γ01～γ03上方的三個空白矩形框表示上方{X}opt、a0、vc、f、ap的重復，代表除γ0以外的其他參數(shù)。

1.2 試驗結果與討論

1.2.1 車削工藝選型及優(yōu)化

（1）車刀選型

根據(jù)已有加工經(jīng)驗，并查詢相關文獻[5]，如圖4所示，分別選用W18Cr4V型高速鋼車刀、YG8型硬質(zhì)合金鋼車刀作為粗車、精車刀具備選對象。以相同的主軸轉速和車削參數(shù)，分別采用兩種刀具對零件進行分段粗加工和精加工，工藝參數(shù)如表1所示。

圖4 車削工藝備選車刀

表1 車刀選型工藝參數(shù)

表2給出了車刀選型試驗結果。從中可以看出，粗、精加工中高速鋼刀具均磨損嚴重，而硬質(zhì)合金鋼刀具磨損正常，且工件表面質(zhì)量較高。因此，選用硬質(zhì)合金鋼刀具（YG8）進行后續(xù)車削工藝參數(shù)組合優(yōu)化試驗。

表2 車刀選型結果

（2）粗車工藝參數(shù)組合優(yōu)化

采用硬質(zhì)合金鋼刀具（YG8）分別對刀具前、后角，進刀量和切深進行粗車試驗[6]，試驗結果如表3所示?？梢钥闯?，3 mm的車削深度不僅效率高，而且表面粗糙度較小。進給量越大，切削效率越高，但進給量0.4 mm時工件表面粗糙度較大，而且鐵屑產(chǎn)生較快且不斷屑，不利于安全生產(chǎn)。采用0°和-3°前角的刀具，以及8°后角的刀具加工時，車削聲音異常，工件表面損傷明顯，刀具抖動、磨損情況嚴重。因此粗車工藝的參數(shù)優(yōu)化組合為：V＝45 m/min，0＝+3°，0＝5°，＝0.3 mm，a＝3 mm。

（3）精車工藝參數(shù)組合優(yōu)化

粗加工完成后，將工件按特定工藝[6]進行時效熱處理。以粗車工藝優(yōu)化得到的刀具前角+3°、后角5°對進刀量和切深進行精車試驗，試驗結果如表4所示。精車工藝的參數(shù)優(yōu)化組合為：V＝30 m/min，0＝+3°，0＝5°，＝0.2 mm，a＝0.2 mm。

表3 粗車工藝參數(shù)優(yōu)化結果

表4 精車工藝參數(shù)優(yōu)化結果

1.2.2 銑削工藝選型及優(yōu)化

（1）銑刀選型

根據(jù)已有加工經(jīng)驗，如圖5所示，分別選用高速鋼銑刀、兩種硬質(zhì)合金鋼銑刀作為粗銑、精銑刀具備選對象。以相同的主軸轉速和銑削參數(shù)加工兩件相同外形的二元翼型模型，工藝參數(shù)如表5所示。

圖5 銑削工藝備選車刀

銑刀選型試驗結果如表6所示，可以看出，硬質(zhì)合金刀具在粗、精加工中相比高速鋼刀具銑削效率較高，而且工件表面質(zhì)量較好。因此，選用硬質(zhì)合金鋼刀具進行后續(xù)銑削工藝參數(shù)組合優(yōu)化試驗。

表5 銑刀選型工藝參數(shù)

注：G為高速鋼刀具；H為硬質(zhì)合金鋼刀具；為刀具直徑；為刀具底部圓角。

表6 銑刀選型結果

（2）粗銑工藝參數(shù)組合優(yōu)化

采用硬質(zhì)合金鋼刀具分別對銑刀轉速、進刀量和切深進行粗銑試驗[7-8]，試驗結果如表7所示。在V＝100 m/min，＝0.8 mm，a＝0.5 mm的條件下，加工效率明顯較高，表面質(zhì)量較好。

表7 粗銑工藝參數(shù)優(yōu)化結果

（3）精銑工藝參數(shù)組合優(yōu)化

粗加工完成后，將工件按特定工藝進行時效熱處理。采用硬質(zhì)合金鋼刀具進行精銑參數(shù)組合優(yōu)化試驗，試驗結果如表8所示。從表中可以看出，在V＝70 m/min，＝0.8 mm，a＝0.4 mm的條件下精銑加工效率明顯較高，表面質(zhì)量較好。

表8 精銑工藝參數(shù)優(yōu)化結果

2 打磨工藝驗證試驗

2.1 試驗方案

以二元翼型為加工對象，驗證低溫模型復雜曲面打磨工藝。打磨流程主要分為流線、粗拋、精拋三個工序。首先由鉗工清除數(shù)銑工藝加工不到位的死角，使得當?shù)匦兔媾c模型外型面接平；其次利用150～320目的油石，以煤油作潤滑劑粗拋型面，清除數(shù)銑加工紋路；最后利用80～320目粗絨片、400目細絨片在無潤滑劑的情況下，沿翼型弦向打磨方向精拋型面。

2.2 試驗結果與討論

流線工序未對外形面操作，故工件表面粗糙度仍為精銑加工后的1.2 μm，用時約3 h。粗拋完成后，＝0.8 μm，用時約5 h。精拋完成后，≤0.4 μm，用時約7 h。對精拋后的二元翼型模型外形面進行三坐標檢測，加工偏差不大于＋0.035 mm。粗糙度和三坐標檢測方法如圖7所示。兩項指標均滿足低溫模型設計要求，證明上述工藝方案滿足低溫模型加工要求。

圖7 二元翼型模型檢測

3 長薄部件加工變形解決方法研究

3.1 試驗方案

采用優(yōu)化后的銑削工藝參數(shù)組合，通過加工半模機翼模型，找出導致長薄部件加工變形的原因[9-10]，并給出解決措施。為保證工件在加工過程中裝夾方便，提供零件在加工過程中足夠的強度及剛度，保證工件加工精度，以及提供零件加工、檢測基準，沿展向在機翼前、后緣分布多組工藝頭，如圖8所示。

圖8 半模機翼模型

模型外形尺寸長約800 mm、寬約250 mm、最大厚度38 mm，主要由大展弦比三維翼型和翼根處的方形連接塊組成。部件加工工序為：備料→固溶處理→規(guī)方→超聲波探傷→粗銑→時效熱處理→三坐標檢測→精銑→三坐標檢測→磁粉探傷→打磨拋光→終檢。

3.2 試驗結果與討論

該試驗先后共加工兩件半模機翼模型，按加工順序分別編號為1#樣本、2#樣本。為盡可能減少切削量，1#樣本的備料尺寸為40 mm×900 mm×260 mm。固溶處理后板料中部出現(xiàn)彎曲，兩端變形約5 mm，超出規(guī)方工序單邊留量范圍，已經(jīng)不能滿足原零件尺寸的加工要求，遂將模型外形尺寸等比縮放至0.9倍后再規(guī)方。超聲波探傷合格后，以優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合完成粗銑加工，如圖9所示。

采用交替粗銑上、下翼面的方式，減小加工過程中產(chǎn)生的應力。每次固定工件前檢測翼尖與翼根工裝基準平面的相對角度，檢測結果均在公差范圍內(nèi)，說明粗銑工序中工件的加工變形很小，工藝安排和工裝分布合理。進行時效熱處理后，模型在材料組織轉變后產(chǎn)生表面應力，導致翼尖及翼尖工藝頭處翹彎變形約為5 mm，如圖10所示。

圖9 1#樣本粗銑加工結果

圖10 1#樣本時效熱處理結果

通過對翼尖施壓的方式將模型變形量減小至1.5 mm，將模型外形尺寸等比縮放至原始尺寸的0.855倍后重修基準進行精銑加工。由于施壓校型過程中并沒有釋放模型表面應力，因此精銑加工完成后模型又回彈至時效熱處理后翼尖翹彎變形約5 mm的狀態(tài)。主要是因為1#樣本的備料鍛件厚度較薄，對固溶熱處理后發(fā)生的較大變形沒有足夠的基準修型余量，從而導致加工變形無法控制。

針對1#樣本出現(xiàn)的加工變形問題，2#樣本備料尺寸調(diào)整至65 mm×840 mm×315 mm，即增大厚度、縮小長度?？紤]到粗、精銑削工序的加工變形較小，2#樣本減少工裝數(shù)量，如圖11所示。

圖11 2#樣本工裝位置分布圖

備料固溶處理后出現(xiàn)整體彎曲，兩端變形約為8 mm。規(guī)方處理后（54 mm×825 mm×300 mm）進行超聲波探傷，合格后采用上、下翼面交替的方式完成粗銑加工，如圖12所示。

進行時效熱處理后，翼尖及翼尖工藝頭處翹彎變形約1 mm。依然采用交替銑銷上、下翼面的方式進行型面精加工。并在每加一次上、下翼面后安排自然時效，讓工件自然釋放應力，釋放應力后進行對稱修基準，保證最終型面加工精度，如圖13所示。

圖12 2#樣本粗銑加工結果

圖13 2#樣本精銑加工結果

三坐標型面檢測結果顯示，型面公差為＋0.04～＋0.08 mm，且分布較均勻。最后去工裝，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對2#樣本進行打磨拋光處理，最終型面誤差不大于＋0.04 mm，表面粗糙度≤0.4 μm，如圖14所示。

從試驗結果可知，低溫模型長薄部件加工變形主要發(fā)生在熱處理階段，尤其是備料固溶熱處理環(huán)節(jié)，該變形是材料本身的屬性，不可避免[11]；通過增加備料厚度以保證足夠基準修型余量的方法可有效解決該問題。采用優(yōu)化后的粗、精銑參數(shù)組合，合理分布的工裝，及上、下翼面交替加工的方式不會帶來明顯的表面加工應力。在加工過程中增加自然時效及修正基準的工藝方法，可有效提高型面加工精度。

圖14 2#樣本最終加工結果

4 結論

通過使用國產(chǎn)18Ni(200)低溫鋼材進行模型部件加工試驗，開展加工工藝研究，分析試驗結果得到如下結論：

（1）采用硬質(zhì)合金刀具以優(yōu)化的工藝參數(shù)組合加工低溫模型可以獲得較高的表面加工質(zhì)量和型面精度，提高加工效率，減少刀具磨損，降低加工成本。

（2）通過鉗工流線、油石粗拋、絨片精拋的打磨工藝流程，可獲得粗糙度不大于0.4 μm的模型外形面。

（3）低溫模型長薄部件的加工變形主要發(fā)生在備料開坯后的固溶熱處理環(huán)節(jié)，且不可避免。通過保證備料厚度，并根據(jù)變形量大小調(diào)整模型工裝基準面高度的方法可以有效解決該問題。

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[3]David. A. Wigley. Materials for Use in Cryogenic Wind Tunnel. AGARD Special Course on “Advances in Cryogenic Wind Tunnel Technology”[M]. Koln，Germany：DLR Research Center，1996.

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Application Research of Machining Process for Cryogenic Wind Tunnel Test Model

ZHAO Kuan1，SHI Duan2

( 1.China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China; 2.Chengdu Kaidi Precision Technology Co., Ltd., Chengdu610041, China)

In order to solve the problems of long process period, high tool wear rate, and easily deforming workpiece in the processing of cryogenic wind tunnel test model, an airfoil model and a support strut model were made using homemade 18Ni(200) steel. The machining process parameters of cutting tools, cutting speed, feed rates, cutting depth, and polishing method, which may influence the processing quality and efficiency, were selected and optimized. The reliability of optimum assembly of parameters and process was verified through making a high aspect ratio wing model, and the control method and advice about long-thin shape model machining deformation was given.

cryogenic；wind tunnel；model；manufacture process

TH16；TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.02.002

1006-0316 (2022) 02-0008-07

2021-04-14

趙寬（1983－），男，陜西漢中人，碩士研究生，副研究員，主要研究方向為高速風洞試驗模型設計，E-mail：zhaokuan5515@163.com；石端（1991－），男，四川宣漢人，工程師，主要研究方向為機械設計。