孫國雁，張旺，趙軍

航空工業(yè)沈飛（集團(tuán)）有限公司 遼寧沈陽 110034

1 序言

鈦合金因其密度小、比強(qiáng)度高及耐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，近年來在航空制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而在實(shí)際加工中，由于鈦合金材料彈性模量小、化學(xué)活性高等特點(diǎn)，所以極易造成回彈嚴(yán)重、刀具壽命短及切削效率低等問題，降低了鈦合金的可加工性。

某整體結(jié)構(gòu)梁是某方向舵結(jié)構(gòu)主要承力部件，屬于典型的鈦合金腹板梁類結(jié)構(gòu)零件，雙面槽腔、窄槽、耳片及配合槽口等復(fù)雜結(jié)構(gòu)眾多，為典型的AB面加工零件。實(shí)際加工中，毛料為模鍛件，均勻余量3mm，加工周期15天，表面質(zhì)量差，尺寸精度質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)高，需合理優(yōu)化現(xiàn)有加工方案，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效加工。

2 整體結(jié)構(gòu)梁結(jié)構(gòu)及加工中存在的問題

整體結(jié)構(gòu)梁零件外廓尺寸為150m m×180m m×810mm，材料為鈦合金，為典型腹板梁類結(jié)構(gòu)，其局部特殊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)梁局部特殊結(jié)構(gòu)

該整體結(jié)構(gòu)梁原需三坐標(biāo)立式銑床、五坐標(biāo)立式銑床、常規(guī)銑床、鉗工和鏜工等共5個(gè)工序重復(fù)周轉(zhuǎn)加工，其加工流程為：三坐標(biāo)立式銑床→五坐標(biāo)立式銑床→鉗工→三坐標(biāo)立式銑床→五坐標(biāo)立式銑床→銑工→鉗工→鏜工。

分析原加工流程及加工后的零件實(shí)物，主要存在3方面問題。

（1）加工周期長 加工時(shí)間長、周轉(zhuǎn)多，周期長達(dá)15天。

（2）表面質(zhì)量差 腹板轉(zhuǎn)角處接刀棱0.3～0.5mm；銑工接刀棱明顯，銑工加工部分與數(shù)控接刀棱0.5～1mm。

（3）尺寸精度差 加工窄槽口時(shí)刀具崩齒嚴(yán)重，經(jīng)常損壞表面；耳片間距尺寸加工不穩(wěn)定。

3 問題研究及改進(jìn)措施

3.1 針對加工周期長的問題

該零件整體加工周期長達(dá)15天，詳細(xì)分析零件各環(huán)節(jié)的加工時(shí)間（見表1），粗加工時(shí)間7天，精加工時(shí)間2.5天，周轉(zhuǎn)等待時(shí)間共3.5天，鉗工1天，銑工0.5天，鏜工0.5天，時(shí)間主要損耗在粗加工和周轉(zhuǎn)等待上。

表1 整體結(jié)構(gòu)梁各環(huán)節(jié)加工時(shí)間統(tǒng)計(jì)

據(jù)此，主要從兩方面制定改進(jìn)措施。

（1）優(yōu)化粗加工程序 研究原粗加工程序，其編制應(yīng)用的毛料為余量5mm的B狀態(tài)鍛件，而目前實(shí)際加工使用的毛料是改進(jìn)后的3mm余量的B狀態(tài)鍛件，原程序空走刀比例高達(dá)40%～50%，而現(xiàn)有鈦合金加工刀具已經(jīng)更新，原φ63mm規(guī)格的可換刀片銑刀進(jìn)給速度560mm/min已經(jīng)無法滿足現(xiàn)需求。據(jù)此進(jìn)行如下改進(jìn)：①對粗加工程序進(jìn)行優(yōu)化，重新編制兩面粗加工淺切程序，識(shí)別毛料由原5mm余量模鍛件改為現(xiàn)有的3mm余量模鍛件。②優(yōu)化φ63mm規(guī)格可換刀片銑刀的淺切粗加工參數(shù)，進(jìn)給速度由560mm/min提升為1200mm/min，轉(zhuǎn)速同步更改為950r/min。

檢驗(yàn)改進(jìn)后的程序，其運(yùn)行時(shí)間由原來的126h縮減至68.4h，時(shí)間縮短極為顯著，效率提升明顯。

（2）優(yōu)化工序安排，減少周轉(zhuǎn) 詳細(xì)分析加工流程，以規(guī)整流程、減少周轉(zhuǎn)為目標(biāo)：①目前由于數(shù)控加工五坐標(biāo)設(shè)備已非瓶頸設(shè)備，故將原三坐標(biāo)加工程序轉(zhuǎn)至五坐標(biāo)設(shè)備加工，并將部分粗加工程序重新利用五軸編程，減少空走刀。②將原30工序鉗工中加工的基準(zhǔn)孔及倒角加工，轉(zhuǎn)至20工序五坐標(biāo)立式銑床加工，新編數(shù)控加工程序，加工時(shí)間約2h。

梳理后，加工流程明顯縮減，改進(jìn)后的流程為：五坐標(biāo)立式銑床→銑工→鉗工→鏜工。

統(tǒng)計(jì)改進(jìn)后的加工周期，約為：1＋1＋2.8＋1.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＝9.3（天），周期縮短近40%，基本滿足了目前該尺寸規(guī)格零件的加工周期計(jì)劃。

3.2 針對表面質(zhì)量差的問題

零件表面質(zhì)量差主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：腹板表面質(zhì)量差和銑工接刀棱明顯。在機(jī)械加工過程中，零件加工表面質(zhì)量對零件配合性能、疲勞性能、磨損性能和使用壽命有很大影響［1］，必須重視并解決。針對這兩個(gè)問題，分析其原因并制定解決措施如下。

（1）腹板表面質(zhì)量差 該整體結(jié)構(gòu)梁屬于典型的槽腔梁類零件，腹板表面是零件表面的主要組成部分，以往數(shù)控加工完成后，鉗工需根據(jù)腹板切傷處深度打磨整個(gè)腹板，以保證腹板表面要求的平面度≤0.1mm，影響了腹板的表面質(zhì)量和性能。對比實(shí)物情況及刀具軌跡，發(fā)現(xiàn)所有腹板切傷均是在拐角處產(chǎn)生的，分析原因?yàn)楣战翘幍遁S急停變向產(chǎn)生顫動(dòng)，導(dǎo)致腹板切傷。為此，提出在拐角處增加圓弧的方案進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)前后的刀具軌跡如圖2所示，加工后的實(shí)物效果對比如圖3所示。

圖2 腹板加工刀具軌跡

圖3 實(shí)物效果對比

該方法適用于幾乎所有槽腔零件腹板的精加工，能夠有效避免刀軸急停顫動(dòng)造成的腹板切傷問題，大幅改善了零件腹板機(jī)械加工后的表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了腹板數(shù)控加工后的零打磨。

（2）銑工接刀棱明顯 分析銑工加工表面與數(shù)控加工表面形成接刀棱的主要原因，是因?yàn)殂姽ぞ葻o法達(dá)到數(shù)控精度級別，為保證零件表面不發(fā)生切傷，刻意預(yù)留部分余量，所以導(dǎo)致與數(shù)控加工表面無法接平，產(chǎn)生較大接刀棱。

常規(guī)加工的此項(xiàng)劣勢目前無有效措施可以解決，依據(jù)最優(yōu)解原則，初步計(jì)劃將常規(guī)加工部分（補(bǔ)銑槽口、切斷全部凸臺(tái)兩處工作量）僅保留部分凸臺(tái)連接筋切除，其余均轉(zhuǎn)換為五坐標(biāo)數(shù)控加工。

構(gòu)建凸臺(tái)連接筋，保證其在滿足測量及鏜孔強(qiáng)度要求的情況下，盡量短和薄，優(yōu)化后，凸臺(tái)連接筋如圖4所示，四周全部新編數(shù)控程序切削，兩側(cè)留綠色較薄連接筋，后續(xù)常規(guī)銑削，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)加工面積最小，從而減少接刀棱范圍的目標(biāo)。

圖4 凸臺(tái)及其連接筋

槽口位置如圖5所示。數(shù)控精銑槽口部分，原槽口因高度尺寸大、槽口距離小，僅能使用現(xiàn)有的φ8mm整體硬質(zhì)合金刀具加工，因刀具直徑小、剛性差，加工槽口讓刀嚴(yán)重，槽口頂部、底部差值超過0.5mm，致使槽口尺寸保證困難。據(jù)此，根據(jù)槽口尺寸14.1mm特性，申請采用φ13mm的非標(biāo)銑刀加工槽口。

圖5 槽口位置示意

使用新銑刀加工槽口，刀具剛性顯著提升，數(shù)控加工后槽口頂部和根部尺寸差值不超過0.05mm，實(shí)現(xiàn)了槽口穩(wěn)定、高效的數(shù)控加工；取消了常規(guī)銑削補(bǔ)加工槽口工步，規(guī)避了常規(guī)加工中槽口形成大量接刀棱的問題。

3.3 針對尺寸精度差的問題

零件尺寸差主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：槽口刀具崩齒損壞表面，導(dǎo)致耳片間距尺寸不穩(wěn)定。尺寸精度要求是設(shè)計(jì)要求中最為重要的技術(shù)條件，理論上穩(wěn)定批量生產(chǎn)加工零件不允許出現(xiàn)影響尺寸精度要求的元素。針對這兩個(gè)問題，分析其造成的原因并制定解決措施如下。

（1）耳片間距尺寸不穩(wěn)定 通過前述申請采用專用非標(biāo)刀具，優(yōu)化數(shù)控程序，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了耳片間距尺寸的穩(wěn)定加工，該問題得以解決。

（2）槽口刀具崩齒損壞表面 原工藝在粗銑中部耳片間距槽口時(shí)，使用B1-273（φ16mm銑刀）徑向分層軸向滿刀的加工方式，切削深度43mm，徑向分層間距1mm，進(jìn)給速度72mm/min，但實(shí)際過程中經(jīng)常出現(xiàn)打刀現(xiàn)象。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)原有加工方式在進(jìn)出刀過程中加工余量較大，加之軸向滿刀加工，易對切削刃產(chǎn)生較大磨損，從而產(chǎn)生折刀現(xiàn)象，損傷槽口表面。

據(jù)此引入圓弧銑切工藝方法，依然采用徑向分層軸向滿刀的加工方式，但自始至終均采用弧形加工軌跡，徑向分層間距0.8mm，進(jìn)給速度80mm/min。工藝優(yōu)化前后加工軌跡對比如圖6所示?；⌒渭庸ぼ壽E進(jìn)出刀相互覆蓋，使刀具加工余量保持均勻，提高了刀具的加工穩(wěn)定性。雖然因?qū)娱g距減小而導(dǎo)致加工軌跡增加，但此種加工方法使進(jìn)給速度提高且無需轉(zhuǎn)角降速，總體上達(dá)到了減小刀具損耗且不增加加工時(shí)間的效果，最為重要的是避免了刀具崩齒現(xiàn)象的發(fā)生，有效保證了槽口的表面質(zhì)量。

圖6 工藝優(yōu)化前后加工軌跡對比

4 工藝實(shí)施效果

工藝解決措施全面實(shí)施后，取得顯著效果，具體如下所述。

1）加工周期由15天減少至9.3天，周期縮短近40%。

2）腹板表面質(zhì)量顯著提升，銑工接刀棱消除90%，鉗工打磨工作量減少約70%，大幅提升了零件表面質(zhì)量。

3）耳片間加工改為數(shù)控加工，提升加工穩(wěn)定性；新的圓弧分層加工工藝方法實(shí)現(xiàn)了槽口穩(wěn)定切削，大幅降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

零件的結(jié)構(gòu)工藝分析是指在滿足使用和設(shè)計(jì)要求的前提下，分析加工制造的可行性和經(jīng)濟(jì)性的過程[2]。圍繞某整體結(jié)構(gòu)梁零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝方案和加工策略的優(yōu)化，使得零件加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到了顯著提升，為后續(xù)優(yōu)質(zhì)、高效和批量生產(chǎn)加工該零件提供了有力的技術(shù)支持和保障。