趙軍   孫國(guó)雁   黃炎  航空工業(yè)沈飛（集團(tuán)）有限公司數(shù)控加工廠

　　導(dǎo)讀

　　對(duì)某腹板梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合鈦合金材料性能，制定合理的加工方案，包括機(jī)床夾具、刀具、量具 及加工參數(shù)等，通過(guò)歸納該零件的數(shù)字化制造過(guò)程，總結(jié)出一套適用于相似件的數(shù)字化加工方法。

　　關(guān)鍵詞：鈦合金；腹板梁；數(shù)字化加工；刀具；定位；測(cè)量

　　序言

　　鈦合金由于密度小、比強(qiáng)度高及耐蝕性強(qiáng)等 特點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)在國(guó)際航空事業(yè)中得到了大規(guī)模 的應(yīng)用。鈦合金材料具有熱導(dǎo)率小、彈性模量小及化學(xué)活性高等特點(diǎn)，在實(shí)際加工中，容易造成切削溫度高、回彈嚴(yán)重、刀具壽命短及切削效率低等問(wèn) 題，降低了鈦合金的可加工性。分析零件結(jié)構(gòu)， 鈦合金零件多為薄壁、內(nèi)外形復(fù)雜的零件，毛料去 除率一般為80%～90%，去除量較大，因此如何合理安排加工方案，從而優(yōu)質(zhì)高效地加工鈦合金零件，顯得十分重要和必要。

零件結(jié)構(gòu)及加工要求

　　圖1所示腹板梁零件的外廓尺寸為1060mm× 420mm×64mm，材料為鈦合金。

圖1　腹板梁零件

　　腹板梁是某組合腹板的主要焊接承力部件，屬于典型腹板梁類結(jié)構(gòu)，單面槽腔、正反端面均為多個(gè)平面接合而成，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。此外，腹板梁部分外形處均需預(yù)留焊接余量，薄壁處尺寸精度要求高，數(shù)控加工存在難度。

工藝分析

　　在數(shù)字化加工過(guò)程中，主要需要考慮材料性 能、工藝方案，其中工藝方案包括機(jī)床夾具、加工方法、刀具及量具等多方面因素，要逐一分析各因素中的具體問(wèn)題，并制定詳細(xì)的解決方案，才能保 證腹板梁優(yōu)質(zhì)高效地加工。

　　3.1 材料性能

　　該零件材料屬于典型的α鈦合金，熱處理后硬度和強(qiáng)度都有所增大，屬于航空難加工材料。分析 材料的機(jī)械加工性能，其劣勢(shì)主要有以下幾方面。

　　1）鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小、散熱性能差，加工過(guò)程中溫度高，切屑易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象。

　　2）鈦合金比熱小、熱量不易擴(kuò)散，加工過(guò)程 中，刀具局部位置持續(xù)高溫，加快了刀具磨損，增大了發(fā)生崩齒現(xiàn)象的概率。

　　3）TA15 M鈦合金在高溫環(huán)境下，化學(xué)穩(wěn)定性 差，400℃以上即可產(chǎn)生致密氧化膜，還與氮、氫等發(fā)生反應(yīng)，增加了加工難度。結(jié)合材料主要特點(diǎn)，在實(shí)際數(shù)控銑加工過(guò)程中， 采用大前角、小后角刀具，前/后角分別取6°～8°、 6°～12°。刀具材料以硬質(zhì)合金鋼為主，保證切屑 可以快速脫落、帶走熱量，降低了表面燒傷、氧化及粘刀切傷的風(fēng)險(xiǎn)。

　　3.2 工藝結(jié)構(gòu)

　　腹板梁在裝配過(guò)程中充當(dāng)梁類承力部件，但實(shí)際結(jié)構(gòu)更偏向于腹板零件，名稱也由此而來(lái)。腹板梁主要工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。

　　1）單面槽腔結(jié)構(gòu)，另一面為多平面結(jié)合的折 面區(qū)。

　　2）腹板厚度存在4mm、3.5mm、3mm及5mm 等多種規(guī)格。

　　3）緣條厚度存在6mm、8mm、10mm、12mm 及2.5mm等多種規(guī)格。

　　4）頭部?jī)?nèi)形結(jié)構(gòu)尺寸較多，精度要求高。

　　5）多處腹板面夾角≠180°，需擺軸加工。

　　6）毛料為模鍛件，除孔外其余均勻余量3mm， 加工容差率低。

　　通過(guò)分析可知，主要加工難點(diǎn)有4處。

　　1）腹板、緣條末端薄壁處因缺少連接結(jié)構(gòu)， 100%讓刀，薄壁尺寸難以保證。

　　2）多處底平面需要接合，接合處需光滑過(guò)渡， 加工存在難度。

　　3）頭部f 140mm孔為裝配孔，孔徑及孔位精度要求高，存在熱處理變形的情況，需要解決。

　　4）毛料均勻余量3mm，無(wú)法預(yù)留定位耳片， 裝夾定位存在難度。

方案論證

　　為解決上述問(wèn)題，需要從加工刀具、裝夾定位和加工流程等方面入手，保證合理且互相協(xié)調(diào)。

　　4.1 加工刀具

　　分析腹板梁結(jié)構(gòu)可知，該零件高度跨度小， 來(lái)料余量小，沒(méi)有配合槽口結(jié)構(gòu)，反面均為平面接合，正面存在型腔結(jié)構(gòu)，型腔轉(zhuǎn)角90%為R10mm， 底角均為R5mm，確定各工序使用的刀具見表1。

表 1　各工序使用的刀具

　　4.2 裝夾定位

　　由于腹板梁零件來(lái)料為均勻3mm余量的模鍛 件，無(wú)法使用凸臺(tái)定位，因此確定采用2個(gè)f 18mm 加強(qiáng)孔及筋條上表面/下表面的一面兩孔定位方式， 具體流程如圖2所示：

圖 2　一面兩孔定位具體流程

　　一面兩孔定位可保證定位準(zhǔn)確，減小累積定位誤差，是保證產(chǎn)品精度的重要一步。

　　4.3 加工方式

　　該腹板梁屬于典型的雙面腹板類零件，因此采用AB面的加工方式即可，即反面粗加工→反面精加 工→正面粗精加工，具體如下。

　　1）反面粗銑1mm余量，半精銑0.5mm余量，精 銑到位，保證各平面表面粗糙度合格，階差尺寸保證到位。

　　2）正面半精銑0.8mm余量，精銑到位，減少刀路重復(fù)次數(shù)。由于反面已經(jīng)加工到位，大平面定位準(zhǔn)確性高，所以可直接半精銑、精銑到位。

　　3）精銑時(shí)采用先腹板、后緣條、末筋條的形 式，避免了緣條過(guò)切、腹板刮傷的現(xiàn)象。針對(duì)3.2中的4處加工難點(diǎn)，制定具體的解決方案如下。

　　1）針對(duì)末端薄壁處尺寸，由于沒(méi)有連接結(jié)構(gòu)， 加工過(guò)程中薄壁處受刀具軸向力后會(huì)發(fā)生變形，從而產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，導(dǎo)致薄壁處尺寸無(wú)法切削到位， 且具體偏離數(shù)值無(wú)法得到控制，如果增加刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，就會(huì)造成腹板切傷，工作量將成倍增加。圖 3為理論上及實(shí)際切削時(shí)薄壁處外形，其中虛線部分為理論上切削時(shí)薄壁處外形；實(shí)線部分為實(shí)際切削時(shí)薄壁處外形。

圖3 理論上及實(shí)際切削時(shí)薄壁處外形

　　針對(duì)此情況，采用預(yù)留余量的加工方式，即數(shù) 控加工預(yù)留0.5mm余量，后續(xù)常規(guī)使用墊塊支撐，加工到位。相比于數(shù)控加工，常規(guī)裝夾更加靈活，對(duì)于薄壁處可以使用自調(diào)千斤頂進(jìn)行加固，防止了 讓刀現(xiàn)象的發(fā)生。

　　2）針對(duì)反面平面相接處，采用f 10R5硬質(zhì)合金銑刀底角行切的方式加工到位，雖然加工周期延長(zhǎng)，但保證了相接處的加工精度和表面質(zhì)量。

　　3）針對(duì)頭部f 140mm孔熱處理變形的情況，采取預(yù)留余量的方式，即熱處理前加工至f 136mm， 單邊留2mm余量，熱處理后對(duì)比樣板進(jìn)行校正，后 續(xù)補(bǔ)加工到位。

　　4）由于毛料均勻余量3mm，無(wú)法預(yù)留凸臺(tái)裝夾，因此只能利用外形3mm余量加工壓點(diǎn)，正反面 加工1/2高度的外形，用于壓裝壓板，最終外形通過(guò) 正反兩面接合加工到位（見圖4）。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，加工時(shí)不需要重復(fù)替換壓板，減少了接刀痕跡的數(shù)量，提高了整體表面質(zhì)量，刀路軌跡清晰、有 條理，同時(shí)提高了加工效率。

結(jié)束語(yǔ)

　　本文研究探討了鈦合金材料的性能和加工難點(diǎn)，對(duì)常用的刀具特點(diǎn)、加工思路進(jìn)行了分析；探 討了腹板梁局部難加工特點(diǎn)，制定并驗(yàn)證了有針對(duì)性的解決方案；對(duì)腹板梁及類似件的完整加工流程 進(jìn)行梳理，總結(jié)出加工該零件的詳細(xì)方案。

　　鈦合金零件的數(shù)字化加工現(xiàn)已成為航空、航天、汽車和船舶等行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，如何優(yōu)質(zhì)高效地加工鈦合金零件已成為目前機(jī)械加工行業(yè)的主要研究方向。通過(guò)對(duì)某腹板梁典型零件的加工特征進(jìn)行分析，制定了詳細(xì)的工藝方案，包括裝夾方案，刀具、量具及容差選擇等，為腹板梁按時(shí)高效地交付提供了技術(shù)支持，同時(shí)也為類似零件后期的工藝準(zhǔn)備提供了充足的技術(shù)儲(chǔ)備。