彭彩霞，俞鴻均，馬 青，張 泉，王成俊

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠，四川成都 610092）

0 引言

鈦合金比重小，比強(qiáng)度高，抗腐蝕性強(qiáng)，高溫和低溫力學(xué)性能良好，具有良好的生物相容性，是一種良好的航空結(jié)構(gòu)材料，常用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位零件。鈦合金毛坯材料比較昂貴，現(xiàn)代航空制造采用無余量和近無余量加工技術(shù)降低鈦合金使用成本，如鍛造、超塑成型和鑄造等。對于某些結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零件，采用鑄造技術(shù)的成本較低，尤其是精密鑄造技術(shù)。但由于缺乏鈦合金精鑄件類零件加工經(jīng)驗，導(dǎo)致航空制造企業(yè)該類零件的加工效率較低，且加工質(zhì)量不高[1]。

隨著中小結(jié)構(gòu)模鍛及鑄件類零件持續(xù)增多，尤其是精鑄件類零件的廣泛應(yīng)用，在具有懸空窄槽特征的鈦合金精鑄件加工過程中，由于零件本身結(jié)構(gòu)特點以及定位、裝夾、工藝方法等選擇，使該類零件定位與裝夾工裝重復(fù)定位次數(shù)較多，導(dǎo)致鈦合金精鑄件銑面及鉆孔誤差較大。通過對鈦合金精鑄件類零件銑床銑削加工工藝方案存在的弊端進(jìn)行分析，提出了針對該類零件加工的精確制造關(guān)鍵技術(shù)點，并對關(guān)鍵技術(shù)點進(jìn)行詳解，通過某型號典型零件滑輪支架應(yīng)用驗證。

1 具有懸空窄槽特征的鈦合金精鑄類零件加工現(xiàn)狀

飛機(jī)鈦合金精鑄件類零件的加工精度直接影響后期部件裝配與系統(tǒng)對接裝配質(zhì)量，在飛機(jī)組件與部件裝配中具有重要作用[2]。該類零件通常為精鑄件，只需進(jìn)行銑面與鉆孔加工。由于該類零件自身結(jié)構(gòu)特點以及材料特點，加工存在諸多難點，現(xiàn)就零件結(jié)構(gòu)、材料變形等方面詳細(xì)闡述。

1.1 零件結(jié)構(gòu)

該類零件為具有懸空窄槽腔特征的鈦合金精鑄件，幾何結(jié)構(gòu)呈支架形，其緣條相對位置尺寸較高，待加工表面相對軸中心對稱，由腹板面以及兩處筋條構(gòu)成，需要加工的部位包含腹板面以及筋條上12 處端面、筋條上4-Φ4.8 mm 一般導(dǎo)孔和4-Φ9.5H8 mm裝配定位孔，加工面以及孔表面粗糙度要求為Ra 3.2。

1.2 毛坯鑄造精度

該毛坯為精鑄件，加工過程中非加工面與加工面之間的協(xié)調(diào)關(guān)系難保證，加工臺階大，鉗工打磨量大；毛坯的精度差，加工余量不均勻，導(dǎo)致零件在加工過程中易變形。由于毛坯鑄造精度低，導(dǎo)致同一批次的毛坯差異較大，每一件毛坯在加工前需要測量，檢查毛坯余量，調(diào)整加工程序的偏移值，導(dǎo)致無法保證加工程序的唯一性。

1.3 材料變形

該零件受鑄件成型后的殘余應(yīng)力、毛坯熱處理殘余應(yīng)力以及加工應(yīng)力分布不均等眾多因素的影響，易變形。零件的結(jié)構(gòu)為半封閉的框架式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部支撐少，處于自由狀態(tài)，零件后端面呈敞開結(jié)構(gòu)，無加強(qiáng)工藝性的筋條，結(jié)構(gòu)剛性差，導(dǎo)致加工中變形大。

1.4 加工難點分析

該零件采用鉗工劃線、普銑機(jī)床銑面、搖臂鉆床上制孔的加工方案。

（1）加工難點：①零件為精鑄件，幾何尺寸精確度較好，但形位公差差別較大，在加工時，零件基準(zhǔn)很難確定；②零件槽腔高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，且槽腔精度要求高，加工時易產(chǎn)生刀具讓刀、零件彈性變形等情況；③零件具有空窄槽腔結(jié)構(gòu)的，具有該類結(jié)構(gòu)的零件裝夾精度要求高，加工過程中，多次出現(xiàn)因裝夾方式不合理導(dǎo)致零件筋條變形、銑傷等問題。

（2）原工藝方案不合理：①工藝基準(zhǔn)不合理，原方案通過簡單的鉗工劃線結(jié)合銑工加工的方式，并未分析是否需要通過反復(fù)找基準(zhǔn)來更好地保證零件位置尺寸精確度；②加工方法不合理，在銑工加工過程中，首先修平底面并以底面為基準(zhǔn)，采用一刀成型的方式將零件槽腔加工到位，該方式會產(chǎn)生余量累積，常出現(xiàn)筋條銑傷的情況；③零件裝夾方式不合理，原零件銑面及鉆孔時，采用堆棧式拼裝方式，該裝夾方式穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致零件加工過程中出現(xiàn)筋條銑傷，孔內(nèi)壁表面質(zhì)量差的情況，原裝夾方法如圖1 所示；④鉆頭使用不合理，原加工方案未考慮到鈦合金材料的難加工特性，采用一般的兩齒麻花鉆頭，最終導(dǎo)致零件孔內(nèi)表面質(zhì)量較差，孔位超差。

圖1 原加工方案裝夾方法

（3）參數(shù)合理性分析：該零件存在深槽腔、高精度孔，此類結(jié)構(gòu)的加工難度較大，對現(xiàn)場加工參數(shù)進(jìn)行收集分析，并進(jìn)行試切。待加工件的常規(guī)切削線速度≤40 m/min，過渡切削線速度40～100 m/min，高速切削線速度＞120 m/min，加工刀具的切削參數(shù)見表1。

表1 切削參數(shù) m/min

（4）結(jié)論：零件采用壓板壓緊以及堆棧式拼裝的方法進(jìn)行定位與夾緊，再進(jìn)行銑面與制孔加工，加工過程中重復(fù)定位次數(shù)較多，人工干預(yù)多，加工誤差大。該類零件批量較大，價值較高，由于加工誤差導(dǎo)致該類零件的故障率、報廢率較高，無法滿足大批量、短周期制造要求。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

原方案定位與裝夾方式穩(wěn)定性差，導(dǎo)致該類零件在加工過程中出現(xiàn)零件變形、彈刀、孔位超差、孔表面質(zhì)量不好等問題。通過優(yōu)化加工方法、改變裝夾方式、優(yōu)化切削參數(shù)，提高該類零件制造效率及質(zhì)量。

2.1 更改裝夾方法

通過對該類零件的PBOM 工藝數(shù)模信息讀取，明確零件裝配路線，從而確定零件定位基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計專用工裝，工裝總體布局主要由工裝基座、可調(diào)節(jié)螺釘以及墊塊三部分組成，這三部分相互組合式連接，組合多個模塊化機(jī)構(gòu)，可針對零件隨時調(diào)節(jié)與夾緊[3]?？烧{(diào)節(jié)螺釘與墊塊設(shè)計是工裝的核心單元，改變工裝主要的定位與夾緊方式，提高零件裝夾的穩(wěn)定性與靈活性，解決了零件緣條高、剛性差以及定位基準(zhǔn)不確定的問題。工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖2 所示。

圖2 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.2 優(yōu)化加工流程

改進(jìn)機(jī)械加工工藝方案、優(yōu)化加工流程，針對加工方法不合理、基準(zhǔn)為毛坯面無法精確定位的情況，考慮采用先初找基準(zhǔn)，再半精加工（留1 mm 余量）零件槽腔、凸臺面以及端面，然后再以零件槽腔為基準(zhǔn)，加工其他元素到位，該方法起到了反復(fù)定位，互為基準(zhǔn)的作用，為保證零件的尺寸以及形位公差具有重要意義。

2.3 重新定制專用鉆頭

原方案使用兩齒鉆頭，每齒切削量過大，直接導(dǎo)致零件孔內(nèi)表面粗糙度質(zhì)量差?，F(xiàn)改用六齒用于鈦合金加工的鉆頭并配合專用擴(kuò)孔鉆以及專用鉸刀完成4-Φ9.5 mm 孔、2-Φ4.8 mm 孔的加工，采用該方法以期達(dá)到均勻余量，提升零件可加工性，保證零件孔位以及孔內(nèi)壁表面粗糙度。

2.4 切削刀具及參數(shù)優(yōu)化

零件在加工過程受局部材料去除率較高以及毛坯余量不均勻的影響，易在殘余應(yīng)力釋放以及切削力、熱的作用下產(chǎn)生變形：①刀具越鋒利，參與切削時產(chǎn)生的切削力、切削熱越小，零件的變形也越小，反之零件的變形就越大；②刀具切削過程中每層切深越小，產(chǎn)生的切削力、熱也越小，且材料殘余應(yīng)力的釋放越均勻，因此零件的變形越小，反之零件的變形就越大。因此，應(yīng)當(dāng)選擇刃口最鋒利的刀具，并采用較大前角的刀具，同時降低切削深度進(jìn)行小切深分層加工，有利于控制變形。

3 實際加工驗證以及效果評價

按照“提出問題—工藝試驗—加工驗證—形成標(biāo)準(zhǔn)—推廣應(yīng)用—提出問題”的模式開展該類零件的工藝試驗、加工驗證工作，根據(jù)收集到的問題及分析的原因開展工藝試驗、加工驗證，并最終將取得的成果總結(jié)提煉從而實現(xiàn)推廣應(yīng)用。針對當(dāng)前該類零件的加工使用百分表打表、兩次裝夾完成銑面與鉆孔加工，通過方案論證與優(yōu)化設(shè)計了一種簡易式快速組合工裝用于凸臺面加工，以及一種專用鉆模用于零件鉆孔，且這兩套工裝通用性較強(qiáng)，可用于該機(jī)型大部分支架類零件加工，不僅可以提高加工效率，還能降低加工成本。通過對該類零件加工方案進(jìn)行研究，采取改進(jìn)切削參數(shù)、優(yōu)化加工方案、新訂專用刀具等方法，最終達(dá)到了降低零件故障率、提高零件合格率的目的。

針對現(xiàn)場零件加工收集到的問題，選定35 項具有懸空窄槽特征的鈦合金精鑄件零件進(jìn)行工藝改進(jìn)后的加工實驗，加工時間由原來銑面30 min 轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在銑面時間10 min，制孔時間由原15 min 變?yōu)楝F(xiàn)在5 min。減少加工工步，減少周轉(zhuǎn)時間，改良裝夾方法，從而節(jié)約裝夾準(zhǔn)備時間，提高效率，達(dá)到該類零件的加工方式改進(jìn)與優(yōu)化，從而提高表面質(zhì)量、見到成效的目的。

4 結(jié)束語

隨著飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的壓板壓緊方式以及拼裝裝夾方式已不能適應(yīng)具有懸空窄槽特征的鈦合金精鑄件類零件的快速與精確加工。對該類零件加工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，取得以下效果：①采用互為基準(zhǔn)的加工方法，從根本上解決了毛坯零件無基準(zhǔn)或基準(zhǔn)面不精確的問題，保證零件槽腔內(nèi)形的寬度尺寸；②解決銑工加工零件端面以及槽腔內(nèi)形問題時，自主設(shè)計并制造了一體式可調(diào)節(jié)裝夾工裝，該工裝不僅僅可以用于普通銑床加工，也可用于數(shù)控機(jī)床，具有一定的通用性；③針對鑄造類零件共用的基準(zhǔn)不一致，四周幾乎為毛坯面的問題，專用鉆模采用可調(diào)節(jié)的方式，讓該鉆模具有更高的通用性；④針對該類零件具有的典型懸空的槽腔特征，在專用鉆模上設(shè)計了專用墊塊，起到了很好的支撐作用，從而解決了在鉆孔過程中出現(xiàn)的零件筋條變形，導(dǎo)致零件孔位超差的問題。