（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司系統(tǒng)組件廠，成都 610091）

TC21鈦合金因其熱強度高、比強度高等優(yōu)異性能廣泛應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)件。由于TC21 切削線速度一般不超過50m/min，粗加工材料去除率一般不超過25cm3/min，精加工材料去除率一般不超過10cm3/min，其可加工性差、切削效率低的問題嚴重制約著這種材料的進一步推廣運用。具有封閉雙閉角深槽腔特征的TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁類零件作為典型的實現(xiàn)起降、轉(zhuǎn)彎等旋轉(zhuǎn)操作的飛機連接疲勞關(guān)鍵回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件，其封閉深槽腔深度達到的290mm，且具有雙閉角特征，具有排屑困難、材料去除率低、多角度加工帶來多次裝夾的問題，總的來說給高效加工和高效裝夾帶來了很大挑戰(zhàn)。

唐林等[1]針對中小航空結(jié)構(gòu)件加工中存在的機床停機裝夾時間長的問題，對采用零點技術(shù)實現(xiàn)數(shù)控加工快速裝夾、柔性裝夾技術(shù)進行了探討，總結(jié)了基于柔性裝夾的航空結(jié)構(gòu)件特征歸類、識別及裝夾知識庫。練宏

俊等[2]針對單工位機床、單個零件裝夾時間較長的場合，探討“零點工裝+氣液增力裝置驅(qū)動”的工作臺外零件快速裝夾操作模式是否有效轉(zhuǎn)移機床切削加工中裝夾時間。陳思濤等[3]以多品種小批量混線生產(chǎn)的中小結(jié)構(gòu)件為研究對象，基于零點定位系統(tǒng)，在工件分類管理的基礎(chǔ)上，將成組技術(shù)和精益管理有機結(jié)合，設(shè)計成組加工工裝托盤，結(jié)合標準化可調(diào)節(jié)式壓板裝夾技術(shù)和矩陣孔系墊板裝夾技術(shù)實現(xiàn)快速裝夾。方向東等[4]從快進給銑削刀具的基本原理研究出發(fā)，基于案例對比了ATI STELLRAM 快進給銑刀在加工航空材料與其他刀具的切削數(shù)據(jù)。唐克巖[5]運用正交試驗方法，分析研究銑削鈦合金材料時銑削力隨銑削速度、每齒進給量、銑削深度和銑削寬度4個因素的變化規(guī)律，通過多元線性回歸分析得出銑削力的經(jīng)驗公式，并通過單因素試驗驗證了該公式的準確性。史琦等[6-7]詳細研究了鈦合金的特性和切削加工性，通過試驗分析了大進給銑削工藝的特點和刀具磨損機理，研究銑削速度和每齒進給量等銑削用量、刀具磨損、刀具材料等對銑削力、銑削溫度和切屑變形的影響，獲取了較優(yōu)的銑削參數(shù)范圍。魯康平等[8]為提高鈦合金深槽的開槽切削效率，對TC4鈦合金深槽進行了快走刀層銑開槽試驗，詳細分析了其切削效率、切屑形態(tài)及刀具磨損情況，結(jié)果表明：在鈦合金深槽開槽加工中快走刀層銑的切削效率較高，切削過程平穩(wěn)，加工后槽腔表面的刀花均勻。陳清良等[9]在分析大進給銑削加工中，刀具軌跡對切削效率和刃口沖擊磨損的影響的基礎(chǔ)上，從行間過渡、進退刀方式、切削用量穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)角加工等方面提出優(yōu)化加工程序的方法。陳清良[10]還以TC4、TC4–DT 等鈦合金材料為研究對象，進行快進給銑削基礎(chǔ)試驗，揭示銑削速度、每齒進給量等切削參數(shù)對銑削力、銑削溫度以及切屑宏觀形貌的影響規(guī)律，針對性提出了程序軌跡、狀態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)化方法，設(shè)計典型槽腔結(jié)構(gòu)試件獲得針對飛機結(jié)構(gòu)件的高性能加工工藝參數(shù)與技術(shù)方案。龔清洪等[11]基于生產(chǎn)實踐，以鈦合金切削冷卻方式、切削力均衡優(yōu)化以及刀具軌跡質(zhì)量穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)作為突破口，進行詳細闡述，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過程，實現(xiàn)鈦合金結(jié)構(gòu)件高速高效加工。楚王偉等[12]結(jié)合飛機結(jié)構(gòu)件的加工特點，對鈦合金高效加工技術(shù)進行了深入分析。通過在粗、精加工過程中合理采用強力銑削、大進給銑削、插銑及高速銑等加工方式，實現(xiàn)了鈦合金零件的高效銑削加工，提高了鈦合金的加工效率，取得了較好的經(jīng)濟效益。

上述對鈦合金的工藝性能和快進給高效切削加工以及快速裝夾的研究取得了一些成果，但大多停留在試驗階段，快進給銑刀的懸伸比通常停留在3倍徑左右，切削環(huán)境相對簡單，對深度達到290mm的封閉深槽腔結(jié)構(gòu)的高效銑削工藝研究還沒有涉及，對懸伸比9倍徑的快進給刀具在TC21鈦合金材料上的高效切削研究也沒有涉及。柔性裝夾技術(shù)普遍研究的是中小結(jié)構(gòu)件孔系模塊化拼裝技術(shù)，對于大型復(fù)雜回轉(zhuǎn)構(gòu)件多工位一次快速裝夾切削沒有研究。

本文總結(jié)上述問題，基于生產(chǎn)實踐，從夾具設(shè)計、零件工藝凸臺設(shè)計、刀具方案、切削參數(shù)、換刀方式等方面，研究TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁雙閉角深槽腔的高效切削運用和多工位一次快速裝夾技術(shù)，總結(jié)了一套完整的結(jié)合零點定位和大懸伸快進給銑削的方案。對比原方案，加工周期縮短50%以上。

1 鈦合金復(fù)雜回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件的工藝特點

1.1 零件材料分析

零件材料為典型熱強度高、比強度高的α+β型兩相的TC21鈦合金，同時具有大于1100MPa的高強度、高韌性、高損傷容限性能以及高抗疲勞性，是輕量化高強度材料應(yīng)用的首選。但從可切削性的角度，TC21 導(dǎo)熱性差、冷作硬化嚴重，比常見TC4、TC15 等常見鈦合金更難切削。

1.2 零件結(jié)構(gòu)分析

具有雙閉角深槽腔的TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁類零件作為典型的大型復(fù)雜回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件，存在薄壁深孔、薄壁翼面、雙閉角深槽腔、異性曲面等結(jié)構(gòu)，存在多處8 級以上精度的尺寸，且需要多次裝夾，零件結(jié)構(gòu)要求如圖1和2所示。

該零件最大的難點就是深度最深為290mm的帶雙閉角的封閉深槽腔的高效加工，最大封閉深槽腔槽口的長寬高約為300mm×100mm×290mm，加工所需刀具懸伸長徑比大，加工穩(wěn)定性差，刀具壽命短，傳統(tǒng)加工方法材料去除率低，閉角型腔如圖3所示。

總的來說，TC21 材料本身的難切削性和該零件的結(jié)構(gòu)的特點會給零件加工造成挑戰(zhàn)，深槽腔留1mm的粗加工時間就需要100h左右，嚴重占用設(shè)備資源，影響零件的交付。

圖1 零件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Part structure diagram

圖2 零件結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2 Part structure plan

1.3 TC21鈦合金深槽腔的加工現(xiàn)狀

1.3.1 深槽腔直角區(qū)域傳統(tǒng)加工

（1）插銑加工。

插銑加工技術(shù)因插銑刀的結(jié)構(gòu)特點，主偏角在10°～20°范圍內(nèi)，且只有軸向進給運動，沒有徑向運動，刀具受到的彎曲力矩、徑向力很小，主要承受軸向力，所以加工過程穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生徑向震動。但由于插銑切寬Ae很小，只能達到刀具直徑的10%左右，且進給速F一般只能達到100mm/min，材料去除率在12～15cm3/min，常用于加工深槽腔的轉(zhuǎn)角，用于整個封閉深槽腔的粗加工則刀軌太多，效率很低，如圖4所示。

（2）U 鉆+玉米銑刀+插銑的強力銑削。

圖3 雙閉角深槽腔截面示意圖Fig.3 Schematic diagram of double closed angle deep groove cavity

圖4 插銑刀軌布局圖FIG.4 Plunge milling cutter layout

利用U 鉆開粗后，玉米銑刀去除波峰，最后用插銑清轉(zhuǎn)角余量的加工方案。一方面，U 鉆的切寬Ae能達到直徑的80%左右，但U 鉆和玉米銑刀的進給速度F實際加工中只能達到60～70mm/min，且隨著深度接近300mm 時，切削速度更低，材料去除率能僅能達到20cm3/min；另一方面，玉米銑刀屬于強力銑削，對機床和裝夾的剛性要求很高，高價值的玉米銑刀在切削余量不均勻的切削環(huán)境中容易造成崩刃，提高加工成本。方案布局如圖5所示。

1.3.2 深槽腔雙閉角區(qū)域傳統(tǒng)加工

（1）五坐標機床加工。

利用五坐標機床的主軸或者工作臺擺角度配合圓角立銑刀進行加工，可以實現(xiàn)一次裝夾，不用換刀就能去除閉角區(qū)域大部分余量，且能實現(xiàn)多個角度的快速加工。由于五坐標機床價格昂貴，維護成本較高，且零件制造周期長，容易讓五坐標設(shè)備應(yīng)用成為瓶頸。

（2）三坐標機床加工。

利用專用工裝將零件閉角區(qū)域擺正后再用三坐標機床配合圓角立銑刀進行加工，雖然不占用昂貴的五坐標機床設(shè)備資源，但必須要有專用工裝將零件墊高一個固定角度，而且當零件有多個角度的閉角時，就需要多個不同角度的專用工裝或者通過分度機構(gòu)轉(zhuǎn)換，如圖6所示。

圖5 刀具布局圖Fig.5 U dril,corn milling and insert milling cutter rail layout

圖6 ±3.5°附加的兩次裝夾Fig.6 ±3.5° additional two clamping

轉(zhuǎn)軸梁除了0°角的裝夾，還需要通過分度機構(gòu)實現(xiàn)±3.5°附加的兩次裝夾，僅加工一個腔就需要3次裝夾3次找正坐標系，轉(zhuǎn)換過程復(fù)雜，每加工1個角度，停機裝夾準備時間就需要至少2.5h，不但降低生產(chǎn)效率，而且定位誤差也會給零件加工造成較大的質(zhì)量風(fēng)險。無論哪種機床加工，利用牛鼻刀進行閉角區(qū)域的加工都無法完全清除閉角底部區(qū)域，需要鉗工繼續(xù)打磨閉角底部殘留。

因此，基于生產(chǎn)實踐，本文從夾具設(shè)計、零件工藝凸臺設(shè)計、刀具方案、刀具軌跡、切削參數(shù)、換刀方式等方面，研究TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁雙閉角深槽腔的高效切削技術(shù)。

2 雙閉角深槽腔高效銑削技術(shù)

高效銑削技術(shù)，就是在保證刀具壽命的同時，追求材料去除率和裝夾效率的最大化的銑削技術(shù)，經(jīng)行業(yè)調(diào)研后，材料去除率目標設(shè)定達到35cm3/min 以上，刀具壽命目標設(shè)定達到120min 以上。想要提高鈦合金深槽腔的切削效率，需要從流程出發(fā)，找到影響加工流程的關(guān)鍵因素，進而進行改善，典型的TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁類零件的深槽腔特征的加工流程如圖7所示，通過統(tǒng)計學(xué)和現(xiàn)場提取的數(shù)據(jù)顯示，裝夾次數(shù)多、刀具方案不合理和換刀方式不合理是影響切削效率低下的關(guān)鍵因素。

2.1 柔性快換夾具設(shè)計

2.1.1 夾具需求分析

（1）夾具能實現(xiàn)不同尺寸零件的專用夾具之間通用，且快速切換安裝到工作臺。

（2）夾具只需要首批零件的首件找正，快速安裝后能實現(xiàn)相同零件不同批次加工。

（3）夾具能滿足不同型號的臥式加工中心和三軸立式加工中心以及主軸旋轉(zhuǎn)的五軸加工中心。

（4）夾具能實現(xiàn)大型復(fù)雜回轉(zhuǎn)構(gòu)件多工位一次快速裝夾切削。

2.1.2 零點定位方案設(shè)計

圖7 深槽腔的粗加工高階和低階流程圖Fig.7 High-order and low-order flow charts for roughing of deep grooves

為了能最大化減少停機裝夾準備時間，設(shè)計了一套基于零點定位系統(tǒng)的柔性快換夾具。零點定位系統(tǒng)是一種獨特的定位和鎖緊裝置，作為機床和夾具之間的快速對接標準接口，在以銑削為主的各類加工中心組成的FMS中得到了廣泛應(yīng)用。其快換夾具由固定和可移動兩部分組成，如圖8所示，帶有多個零點定位系統(tǒng)鎖緊模塊的標準接口夾具固定在機床工作臺上，鎖緊模塊具備定心、長度定位和快速拉緊和釋放作用；可移動部分是直接裝夾工件的，在其夾具底板下表面安裝具有定位和拉緊功能的對合鎖緊銷。

使用時可移動部分在機床外將工件裝夾固定好，整體搬運到機床內(nèi)通過零點定位系統(tǒng)標準接口準確定位、快速拉緊；工序加工完成后，零點定位系統(tǒng)鎖緊模塊釋放對合鎖緊銷，即可將工件與可移動部分一起搬運撤離出機床。

根據(jù)零件的尺寸和切削力評估，設(shè)計一套具有9個鎖緊模塊的快換工作臺，布局方案如圖9所示。其中1個用于定心，1個用于定向，剩下的7個用于快速拉緊。同時該平臺針對小型零件可以任選其中的4個或者6個作為快換平臺，實現(xiàn)不同類型不同尺寸零件的快速裝夾，具有很好的通用性。

2.1.3 零件工藝凸臺設(shè)計

傳統(tǒng)的設(shè)計通過夾具不動，零件相對于夾具轉(zhuǎn)角度的方式實現(xiàn)不同閉角的裝夾。為了減少零件多次裝夾帶來的找正誤差和找正時間，且為了提高定位裝夾的剛性，在原來圓工藝凸臺的基礎(chǔ)上增加角向定位塊，防止零件加工過程中發(fā)生角向旋轉(zhuǎn)，進而采取零件相對于夾具不動的方案，工藝凸臺設(shè)計如圖10所示。受力分析如圖11所示，切削力F2×L2=夾緊力F1×L1改進，因改進前依靠圓凸臺上的小平面進行角向定位，L1很小，改進后，兩個角向定位塊距離中心距離明顯增加，L1改進>L1，可以看出角向定位塊能提供更好的防轉(zhuǎn)動的扭矩。

圖8 加工中心柔性快換夾具Fig.8 Machining center flexible quick change fixture

圖9 零點定位系統(tǒng)鎖緊模塊布局方案圖Fig.9 Zero positioning system locking module layout scheme

2.1.4 柔性夾具設(shè)計

快換夾具可移動部分除了夾具底板下表面安裝對合鎖緊銷。底板上表面的柔性夾具設(shè)計完成零件相對于夾具的裝夾和定位。如圖12所示，黃色的面為定位面，定位面的位置和尺寸精度等級一般不低于8 級；藍色表示輔助可調(diào)定位銷，通過輔助定位能夠最大限度增加大翼面的支撐；橘紅色為夾緊機構(gòu)，夾緊點直接設(shè)計在定位面上，保證加工剛性；綠色為坐標系找正面。

使用時，由于坐標系是在夾具上找正，配合高精度的零點定位系統(tǒng)和后面介紹的倒錐玉米銑刀，只需要一次裝夾以及首件坐標系找正后，實現(xiàn)一個批次的零件準確定位和快速拉緊，裝夾時間由原來的最長8h 減少到平均2h，并且由于提高了裝夾的穩(wěn)定性和剛性，切削參數(shù)可以得到大幅度提升。

這套夾具不僅能用于在臥式加工中心上進行深槽腔的加工，還可以用于在立式三坐標加工中心上加工上下大翼面，實現(xiàn)多工位一次快速裝夾切削，具有很好的柔性。

2.2 大懸伸快進給銑削技術(shù)

快進給銑削的原理是通過減小刀具主偏角，以小切深方式進行加工，從而保證在每齒進給量較大、切削厚度較小的情況下相應(yīng)的切削力較小，但材料去除率反而能夠提高幾倍，加工生成接近最終形狀的外形，其數(shù)學(xué)關(guān)系為T=sin(K)Fz,其中，T為平均切削厚度，K為刀具主偏角，F(xiàn)z為每齒進給量。由于加大了切削刃與零件的接觸線長度，降低了刃口的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高了刀片的切削壽命。

圖10 優(yōu)化后的工藝凸臺設(shè)計Fig.10 Optimized process boss design

圖11 角向定位塊受力分析Fig.11 Force analysis of angular positioning block

圖12 快換夾具三維結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Three-dimensional structure of quick change fixture

表1 邦普φ35快進給銑刀正交試驗Table1 Bond’s φ35 fast feed milling cutter with orthogonal test

2.2.1 刀具選型

（1）刀具主偏角選型。

在鈦合金加工過程中，切削厚度是影響切削力大小的主要因素，而根據(jù)公式T切削厚度=sin(K主偏角)Fz，切削厚度T又受刀具主偏角的直接影響，所以選擇合適的主偏角是第一步。刀片類型不同其主偏角也不同，常見的有三角形可轉(zhuǎn)位刀片、方形可轉(zhuǎn)位刀片和自旋轉(zhuǎn)銑刀。由于三角形可轉(zhuǎn)位刀片和自旋轉(zhuǎn)銑刀根據(jù)不同的切削深度其主偏角會變化，帶來徑向切削力的變化，這種變化對于大懸伸刀具來說容易引起顫振現(xiàn)象，并且隨著刀具的懸伸越長，徑向切削力必須越小，所以最終選擇了主偏角為10°的方形可轉(zhuǎn)位刀片。

（2）刀頭直徑選型。

為了滿足290mm的刀具懸伸以及刀具剛性，刀具直徑應(yīng)盡量大。但槽腔的轉(zhuǎn)角半徑是20.5mm，如果刀具直徑大于φ40mm，需要增加半精加工轉(zhuǎn)角的刀軌，影響效率；如果刀具直徑小于φ35mm，需要增加整體銑型腔的刀軌，刀具懸伸比也將大于9，刀具剛性非常差，很容易引起顫振。所以優(yōu)先選擇直徑為φ35mm 或者φ40mm的快進給刀頭。

（3）刀具接長桿選型。

刀具接長桿的直徑需要和刀頭配對，為了能充分保證刀具的剛性，優(yōu)先選擇φ32mm 或者φ38mm 整體式帶內(nèi)冷孔的重金屬刀桿。由于最終懸伸將達到8～9倍，所以分不同懸伸進行切削才能保證刀具在不同深度的剛性最大化。綜合成本，最終把深槽腔分為3層進行切削，每層切削100mm，考慮到刀柄安全距離25mm，每層的工作長度等于每層最大切削深度加上刀柄安全距離，最終選用了接長刀桿的工作長度分別是125mm、225mm、215mm。

（4）刀頭齒數(shù)選型。

為了能提高進給速度從而提升材料去除率，在轉(zhuǎn)速和每齒進給達到上限的基礎(chǔ)上，刀具齒數(shù)越多越好，目前市場上φ35mm 或者φ40mm的刀頭普遍最多能做到5 齒，所以最終選擇5 齒的刀頭。

由于廠家φ40mm的刀頭以及φ38mm的接長桿，最終我們選擇了主偏角為10°的φ35mm的5 齒方形可轉(zhuǎn)位快進給銑刀以及φ32mm的系列接長桿。

2.2.2 切削參數(shù)與刀具壽命

切削參數(shù)的提升常會帶來刀具壽命的降低，所以需要同時平衡材料去除率與刀具壽命，才能實現(xiàn)高性能加工。目標是一組刀片的一個角度加工能滿足150min的壽命的同時，平均材料去除率能達到30cm3/min。為了獲得不同懸伸比的最佳切削參數(shù)，針對不同的懸伸比設(shè)計了三因素三水平的正交試驗（表1）。

根據(jù)3組正交試驗，各懸伸比的最佳參數(shù)組合見表2。

2.2.3 試驗結(jié)果分析

通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析，TC21封閉深槽腔的粗加工材料去除率達到了31cm3/min，刀具懸伸比在4倍徑以內(nèi)時，材料去除率甚至超過了40cm3/min，同時每組刀片的每個角度的切削壽命保持150min 以上，基本達到了預(yù)期目標，證明整體加工方案有效，且處于行業(yè)領(lǐng)先水平。后期如果能定制刀頭直徑φ40mm、刀桿直徑φ38mm，且齒數(shù)5 齒以上的刀具方案，其平均材料去除率還至少能提升15%～20%，進一步提高切削效率。

2.3 倒錐玉米銑刀銑削技術(shù)

2.3.1 刀具選型

為了實現(xiàn)夾具不動，零件也不動，刀頭主軸也不偏移角度的情況下加工深槽腔雙閉角區(qū)域，定制了專用的倒錐玉米銑刀（圖13）。根據(jù)閉角深槽腔的角度設(shè)計倒錐玉米銑刀的倒錐角度為-3.3°。由于玉米銑刀屬于重載切削，刀頭直徑越大剛性越好，且需要加工最深處為290mm，結(jié)合倒錐角度，刀頭最大直徑為φ82mm，刀桿直徑最大只能設(shè)計為φ50mm，且刀桿和刀柄一體化。由于最終懸伸將達到6倍徑，經(jīng)所以分不同懸伸進行切削才能保證刀具在不同深度的剛性最大化，綜合成本，最終把深槽腔分為3層進行切削，每層切削100mm，由于刀頭長度為40mm，考慮到安全距離和夾持長度，選用了刀桿的工作長度分別是125mm、190mm、250mm的接長刀桿。

2.3.2 切削參數(shù)與刀具壽命

為了實現(xiàn)高性能切削，且獲得不同懸伸比的最佳切削參數(shù)，針對不同的懸伸比各設(shè)計了3 因素3 水平的正交試驗（表3）。

目標是一組刀片的一個角度加工能滿足120min的壽命的同時，平均材料去除率能達到20m3/min。由于深槽腔雙閉角區(qū)域的余量隨著深度增加而增加，最淺處余量為0，最深處余量達到15mm，余量的不均勻性給加工帶來了很大的挑戰(zhàn)，根據(jù)3組正交試驗，各懸伸比的最佳參數(shù)組合見表4。

2.3.3 試驗結(jié)果分析

通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析，TC21封閉深槽腔雙閉角區(qū)域的加工材料去除率達到了18m3/min，并且保持了120min 換一次刀的刀具壽命狀態(tài)。雖然材料去除率只是快進給銑刀的60%，由于總的閉角區(qū)域切削余量不多，且相比于多次裝夾帶來的裝夾時間和風(fēng)險，利用倒錐玉米銑刀加工深槽腔雙閉角區(qū)域效率提升1倍以上，達到預(yù)期目標，證明整體加工方案有效。

2.4 換刀方式提效

傳統(tǒng)的深槽腔加工方式為U 鉆+玉米銑刀+插銑，換刀次數(shù)每件垂尾轉(zhuǎn)軸梁達到了70次左右，每次換刀需要至少7min，也就是需要8h 進行換刀。通過優(yōu)化后，選擇快進給銑刀銑深槽腔直角區(qū)域+倒錐玉米銑刀銑深槽腔雙閉角區(qū)域的加工方案，由于材料去除率和刀具壽命的提升，換刀次數(shù)降低到20次。為了進一步減少換刀時間，傳統(tǒng)的換刀方式為取出刀體后換刀片，優(yōu)化后的換刀方式為，準備A和B兩套刀體，換刀時，直接把完整的刀體B換成刀體A，每次換刀統(tǒng)計僅需要2min，整體換刀時間只需要40min，進一步提升了加工效率。

表2 快進給刀各懸伸比的最佳參數(shù)組合Table2 Best combination of parameters for each of the fast-feeding knives

圖13 倒錐玉米銑刀結(jié)構(gòu)Fig.13 Inverted cone corn milling cutter structure

表3 正交試驗Table3 Orthogonal test

2.5 現(xiàn)場加工驗證

通過對現(xiàn)場加工的100 件零件的追蹤和詳細數(shù)據(jù)記錄，對比原方案，加工周期縮短50% 以上，實際加工數(shù)據(jù)如圖14所示。由于試驗階段，切削參數(shù)相對保守，刀具壽命還有冗余量，現(xiàn)場加工驗證階段普遍切削參數(shù)普遍進行了10%左右的提升，且根據(jù)機床數(shù)據(jù)追蹤，計算得到利用快進給銑削方式的雙閉角深槽腔粗加工的材料去除率3.9倍懸伸比能保持41cm3/min 以上，6.7倍懸伸比能保持32cm3/min 以上，9倍懸伸比能保持28cm3/min 以上，且平均材料去除率能保持35cm3/min 以上，同時每組刀片的每個角度的切削壽命保持150min 以上，基本達到高效銑削的目的。

圖14 轉(zhuǎn)軸梁深槽腔的加工時間序列圖Fig.14 Processing time series diagram of deep groove cavity of shaft beam

3 結(jié)論

本文基于生產(chǎn)實踐，從零點系統(tǒng)、夾具設(shè)計、零件工藝凸臺設(shè)計、刀具方案、切削參數(shù)、換刀方式等方面，研究TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁雙閉角深槽腔的高效切削運用和多工位一次快速裝夾技術(shù)，總結(jié)了一套完整的結(jié)合零點定位和大懸伸快進給銑削的方案。

（1）總結(jié)了一套完整的銑削方案。通過正交試驗得出各不同刀具懸伸比的最佳切削參數(shù)。

（2）設(shè)計了一套基于零點定位系統(tǒng)的快換夾具，結(jié)合倒錐玉米銑刀，只需要一次裝夾以及首件坐標系找正后，實現(xiàn)一個批次的零件的準確定位和快速拉緊。

（3）實踐證明，懸伸比6倍徑的倒錐玉米銑刀能穩(wěn)定切削鈦合金深槽腔雙閉角區(qū)域。

（4）實踐證明，懸伸比9倍徑的快進給刀具也能高效穩(wěn)定切削TC21鈦合金深槽腔，顫振現(xiàn)象不明顯。

（5）對比插銑，3.9倍懸伸比的快進給刀具的材料去除率提升150%以上，6.7倍徑懸伸比的快進給刀具提升100%以上，9倍懸伸比的快進給刀具提升70%以上。

（6）對比強力銑削，3.9倍懸伸比的快進給刀具的材料去除率提升100%以上，6.7倍徑懸伸比的快進給刀具提升50%以上，9倍懸伸比的快進給刀具提升40%以上。

（7）在保持高效率切削的同時，能保證快進給每組刀片的每個角度的切削壽命達到150min，也就是一個刀片的壽命能達到600min。相比插銑和強力銑削，壽命也大大提升，按年產(chǎn)量50 件，每年在轉(zhuǎn)軸梁僅僅封閉深槽腔的加工就能節(jié)約刀具成本達到37.5 萬元，因效率提升，節(jié)約的人力成本、設(shè)備折舊及能源消耗每年也能節(jié)約近30 萬元。

表4 倒錐玉米銑刀各懸伸比的最佳參數(shù)組合Table4 Best combination of parameters for each overhang ratio of inverted cone corn milling cutter