王金海

（中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司數(shù)控加工廠，遼寧 沈陽(yáng) 110850）

某機(jī)型梁類零件的材料，系采用高強(qiáng)度鈦合金，結(jié)構(gòu)為大閉角薄壁結(jié)構(gòu)。通過對(duì)這一零件的加工，開展鈦合金零件高效銑切加工技術(shù)的研究，在加工過程中使用側(cè)刃漸進(jìn)插補(bǔ)法技術(shù)，以此解決變形及加工效率問題，建立了鈦合金高效加工工藝參數(shù)庫(kù)，為未來(lái)飛機(jī)型號(hào)研制提供技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 零件簡(jiǎn)介

該零件是連接兩個(gè)承力框的重要受力構(gòu)件之一，具有安全傳遞載荷和實(shí)現(xiàn)飛機(jī)各部位連接之功用。其零件形狀較為復(fù)雜，帶有理論外形面。零件結(jié)構(gòu)為大尺寸多型面結(jié)構(gòu)，毛料狀態(tài)為模鍛件，上大梁結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 上大梁結(jié)構(gòu)圖

2 零件分析

為了更加合理有效地控制加工方案的全過程，在零件工藝準(zhǔn)備進(jìn)行之前，必須進(jìn)行周密嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧慵治?，找到影響零件加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及難點(diǎn)所在。

2.1 材料特點(diǎn)

TC4高強(qiáng)度鈦合金，在切削時(shí)產(chǎn)生的熱量大，切削區(qū)溫度高，摩擦系數(shù)大，導(dǎo)熱性差，容易導(dǎo)致刀具材料過燒，加速刀具磨損，鈦合金這個(gè)特點(diǎn)，是影響其機(jī)械加工的一個(gè)最主要因素。

2.2 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

零件外廓尺寸980 mm×280 mm×33.5 mm，制造依據(jù)為三維數(shù)模。零件一側(cè)緣條外形為理論外緣，為雙曲面結(jié)構(gòu)，緣條從一端開角變?yōu)殚]角，曲率較大；另一側(cè)緣條與腹板成57°閉角，零件腹板、緣條、筋條均為2 mm，轉(zhuǎn)角為R 6.5 mm、底角為R 3 mm；零件上無(wú)基準(zhǔn)孔。

2.3 加工難點(diǎn)

由于該零件背面存在7 mm×13 mm倒角，需正反面加工，難點(diǎn)為：

（1）數(shù)控銑基準(zhǔn)面，用于數(shù)控加工的定位基準(zhǔn)，此基準(zhǔn)面要求平面度小于0.3 mm。

（2）零件厚度均為2 mm，加工中容易變形，厚度不易于同時(shí)保證。

（3）零件緣條與腹板成57°閉角，且閉角區(qū)加工余量大，加工中容易帶刀，銑傷腹板。

（4）零件轉(zhuǎn)角為R 6.5 mm，加工中需采用小直徑刀具精加工，對(duì)刀具要求較高。

（5）零件緣條與腹板成開角，且緣條厚度小，加工中緣條端頭容易與腹板裂開。

（6）零件緣條外形為雙曲面理論外形，加工精度及表面粗糙度要求較高。

3 加工方案論證

零件從毛料加工到成品的整個(gè)過程中，合理的工藝過程設(shè)計(jì)是非常必要和重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。而工藝過程設(shè)計(jì)則主要從零件分析、加工過程分析、刀具分析入手。其中每一個(gè)步驟都是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的，都對(duì)最終產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率產(chǎn)生直接的影響。

影響零件加工的主要因素，是加工余量大、壁厚薄、內(nèi)形為大角度閉角與內(nèi)形變角度曲面光順過渡。加工方案的設(shè)定，必須圍繞這些主要因素進(jìn)行。加工難點(diǎn)的解決措施如下：

（1）在整個(gè)工藝過程中，銑基準(zhǔn)面至關(guān)重要。對(duì)于模鍛件類零件，銑基準(zhǔn)面時(shí)，一定要保持零件無(wú)應(yīng)力狀態(tài)壓緊后銑基準(zhǔn)面。

（2）為防止零件變形，在工步設(shè)置上，采取正反面去除余量，先粗加工、再半精加工、最后精加工，避免零件變形。并且加工前合理分布?jí)喊逦恢茫謱忧邢?，加工過程中充分冷卻。

（3）大閉角緣條內(nèi)形的切削，采取分層加工，逐步縮小刀具直徑，避免零件帶刀銑傷腹板。

（4）轉(zhuǎn)接R 6.5 mm的加工是在緣條、筋條加工到位后，采用進(jìn)口Ф12 R3 mm立銑刀對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行分層銑切。

（5）為防止緣條端頭斷裂，將精銑兩側(cè)外形工步安排在銑腹板和緣條之前，避免零件在加工中斷裂。

（6）緣條外形雙曲面理論外形的加工，在編程中采用合理的編程方法，既提高加工效率，又提高零件表面品質(zhì)。

4 數(shù)字化加工的實(shí)現(xiàn)過程

由于零件自身無(wú)工藝孔，零件又需正反兩面加工，在工藝方案論證時(shí)，為方便零件的定位裝夾，避免在加工中由于零件竄動(dòng)而銑傷零件，在鍛件設(shè)計(jì)時(shí)，在鍛件兩側(cè)增加工藝凸臺(tái)，在工藝凸臺(tái)上增設(shè)2-Ф12H9工藝孔，其中一孔，設(shè)為編程原點(diǎn)，先以緣條高及2-Ф12H9工藝孔定位，銑背面平面及倒角，再翻面以腹板面定位，粗精銑正面內(nèi)外形。

根據(jù)以上對(duì)零件變形的控制，大閉角區(qū)的加工、數(shù)控機(jī)床及工裝的選用等決定性因素已經(jīng)確定，標(biāo)志著加工方案已經(jīng)確定，主要流程如下：

數(shù)控銑上下基準(zhǔn)面→數(shù)控鉆2-Ф12H9孔→數(shù)控銑背面倒角→翻面精銑兩側(cè)端頭→精銑緣條高→精銑閉角側(cè)緣條外形→粗銑內(nèi)形→精銑腹板→精銑內(nèi)形筋條→精銑筋條交接處轉(zhuǎn)接R6.5→精銑雙曲面外形（五坐標(biāo)）→半精銑緣條內(nèi)形（五坐標(biāo)）→精銑緣條內(nèi)形（五坐標(biāo)）→精銑緣條與筋條轉(zhuǎn)接R6（五坐標(biāo)）→測(cè)量→去工藝凸臺(tái)（三坐標(biāo)）→去銑后毛刺（鉗工）→半檢→熱處理→熒光檢查→表面鈍化→成品檢查→移交試制。

4.1 側(cè)刃漸進(jìn)插補(bǔ)法加工外形緣條

從零件的加工難點(diǎn)來(lái)看，外形曲面的加工非常重要，加工中我們采用側(cè)刃漸進(jìn)插補(bǔ)法加工理論外緣。零件理論外形曲面形成的緣條高度為33 mm，曲面類形為凸面，按設(shè)計(jì)要求，外形雙曲面允許用直紋面逼近，而直紋面與理論外形面之間的距離應(yīng)不大于0.1 mm，外緣條曲面的加工要求見圖2。

圖2 上大梁緣條外形加工要求

以往按照常規(guī)思維方式，曲面的加工大多數(shù)傾向于用球頭刀具行切方法，但是行切加工不可避免地也帶來(lái)一些弊端，那就是在切削過程中，刀具始終在局部區(qū)域與切削區(qū)接觸，結(jié)果造成了刀具切削刃上局部區(qū)域磨損嚴(yán)重，使得刀具的耐用度因此而極劇下降；此外，行切法加工后的零件表面，一般都需要進(jìn)行鉗工打磨修整，增加了多余的工作量，對(duì)于鈦合金零件特點(diǎn)，打磨溫度受到了嚴(yán)格的限制，不得高于54℃，否則會(huì)產(chǎn)生表層組織過燒現(xiàn)象，影響零件的使用功能。因?yàn)樵摼墬l曲面為凸面，并且設(shè)計(jì)已給出允許的容差值，所以在編程時(shí)，我們采用側(cè)刃漸進(jìn)插補(bǔ)加工方法來(lái)加工。行切法與側(cè)刃漸進(jìn)插補(bǔ)法的加工見表1。

表1 行切法與側(cè)刃漸進(jìn)插補(bǔ)法的比較

從上面比較的結(jié)果，不難得到結(jié)論，側(cè)刃漸進(jìn)插補(bǔ)法的確有一定的優(yōu)勢(shì)可言，下面就詳細(xì)地介紹這種加工方法原理與應(yīng)用（見圖3）。

圖3 側(cè)刃漸進(jìn)插補(bǔ)法原理

所謂側(cè)刃漸進(jìn)插補(bǔ)法原理，是利用刀具側(cè)刃在被加工曲面上沿著既定的程序軌跡“滑動(dòng)”，刀具的側(cè)刃在切削過程中，始終與曲面保持相切（也可偏移等距離），按曲面的加工容差來(lái)分配軸向偏移量的大?。ㄒ妶D4中I所示），最終實(shí)現(xiàn)曲面的加工。顯然，側(cè)刃漸進(jìn)插補(bǔ)法，只能進(jìn)行凸曲面的加工，對(duì)凹曲面加工一定要慎重使用。

4.2 加工方式的設(shè)置

對(duì)于粗加工，由于鍛件外表層硬度大，余量的去除，多選逆銑方式。原因是在逆銑加工過程中，刀具切削刃是由材料內(nèi)部切入，向材料外部切出，切削材料由軟到硬，選擇逆銑方式，恰好能躲過材料表面硬化層的高硬度，避免在切削過程中硬質(zhì)合金刀具刀齒出現(xiàn)“崩刃”現(xiàn)象。

對(duì)于半精加工及精加工，采用順銑方式加工。順銑時(shí)，銑削的厚度由最大逐漸減小至零，后刀面與工件無(wú)磨擦和擠壓現(xiàn)象，加工后的零件表面品質(zhì)較好。由于刀齒突然間切入零件，也會(huì)造成刀齒的磨損，但是這種磨損相對(duì)逆銑時(shí)的磨損要小。同時(shí)，刀具與零件的相互作用力，有相互分離的趨勢(shì)，在普通加工中，容易產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象，造成加工后的零件尺寸比理論尺寸要略大。

4.3 編程容差設(shè)置

加工容差從理論上決定了零件加工后實(shí)際幾何形狀與理論幾何形狀之間允許的偏差。加工過程只是盡最大可能精確地?cái)M合理論幾何形狀，而擬合的精確，主要取決于被加工零件容差數(shù)值的大小。

加工容差的數(shù)值大小，不是固定不變的，應(yīng)根據(jù)零件實(shí)際要求的幾何加工精度，確定加工容差的具體數(shù)值。此外，零件的粗加工與精加工的容差設(shè)置，也不應(yīng)該完全一致。粗加工應(yīng)該追求高效率，以最大可能地去除絕大多數(shù)金屬材料為目的，所以粗加工的加工容差應(yīng)盡量放大。而精加工則是追求零件加工后幾何形狀的正確性和準(zhǔn)確性為目的，所以精加工的加工容差，應(yīng)盡量縮小。

除此之外，加工程序中心軌跡，一定要按照零件公差帶的中值編制，比如緣條壁厚公差為（+0.3/0）mm，則程序編制理論值要保證壁厚公差帶在偏差值0.15 mm處，這樣加工的零件合格幾率會(huì)極大地提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

上大梁的數(shù)字化加工過程中，我們采取了有效的工藝方法，防止了零件變形，對(duì)外緣條雙曲面的加工，采用側(cè)刃漸近插補(bǔ)法；對(duì)大閉角區(qū)的加工，采取有效的編程方法，避免了由于帶刀銑傷腹板。而在整個(gè)零件的編程過程中，我們采用了清轉(zhuǎn)角處理法，保證了零件的加工品質(zhì)。實(shí)踐證明，該工藝方案能夠加工出合格產(chǎn)品，產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，表面光度好。這一類零件的加工，為我們以后生產(chǎn)大尺寸多型面薄壁零件提供了經(jīng)驗(yàn)。

[1]王興達(dá).機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[2]陳日曜.金屬切削原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[3]樂兌謙.金屬切削刀具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997.