某型機上大梁高效加工工藝研究

王金海

（中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)集團有限公司數控加工廠，遼寧 沈陽 110850）

某機型梁類零件的材料，系采用高強度鈦合金，結構為大閉角薄壁結構。通過對這一零件的加工，開展鈦合金零件高效銑切加工技術的研究，在加工過程中使用側刃漸進插補法技術，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庫，為未來飛機型號研制提供技術基礎和技術支持。

1 零件簡介

該零件是連接兩個承力框的重要受力構件之一，具有安全傳遞載荷和實現飛機各部位連接之功用。其零件形狀較為復雜，帶有理論外形面。零件結構為大尺寸多型面結構，毛料狀態(tài)為模鍛件，上大梁結構形式見圖1。

圖1 上大梁結構圖

2 零件分析

為了更加合理有效地控制加工方案的全過程，在零件工藝準備進行之前，必須進行周密嚴謹的零件分析，找到影響零件加工的關鍵環(huán)節(jié)及難點所在。

2.1 材料特點

TC4高強度鈦合金，在切削時產生的熱量大，切削區(qū)溫度高，摩擦系數大，導熱性差，容易導致刀具材料過燒，加速刀具磨損，鈦合金這個特點，是影響其機械加工的一個最主要因素。

2.2 零件結構特點

零件外廓尺寸980 mm×280 mm×33.5 mm，制造依據為三維數模。零件一側緣條外形為理論外緣，為雙曲面結構，緣條從一端開角變?yōu)殚]角，曲率較大；另一側緣條與腹板成57°閉角，零件腹板、緣條、筋條均為2 mm，轉角為R 6.5 mm、底角為R 3 mm；零件上無基準孔。

2.3 加工難點

由于該零件背面存在7 mm×13 mm倒角，需正反面加工，難點為：

（1）數控銑基準面，用于數控加工的定位基準，此基準面要求平面度小于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）零件轉角為R 6.5 mm，加工中需采用小直徑刀具精加工，對刀具要求較高。

（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過程中，合理的工藝過程設計是非常必要和重要的一個環(huán)節(jié)。而工藝過程設計則主要從零件分析、加工過程分析、刀具分析入手。其中每一個步驟都是相互關聯(lián)、相互制約的，都對最終產品的品質和生產效率產生直接的影響。

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

（1）在整個工藝過程中，銑基準面至關重要。對于模鍛件類零件，銑基準面時，一定要保持零件無應力狀態(tài)壓緊后銑基準面。

（2）為防止零件變形，在工步設置上，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壓板位置，分層切削，加工過程中充分冷卻。

（3）大閉角緣條內形的切削，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）轉接R 6.5 mm的加工是在緣條、筋條加工到位后，采用進口Ф12 R3 mm立銑刀對轉角進行分層銑切。

（5）為防止緣條端頭斷裂，將精銑兩側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。

4 數字化加工的實現過程

由于零件自身無工藝孔，零件又需正反兩面加工，在工藝方案論證時，為方便零件的定位裝夾，避免在加工中由于零件竄動而銑傷零件，在鍛件設計時，在鍛件兩側增加工藝凸臺，在工藝凸臺上增設2-Ф12H9工藝孔，其中一孔，設為編程原點，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，粗精銑正面內外形。

根據以上對零件變形的控制，大閉角區(qū)的加工、數控機床及工裝的選用等決定性因素已經確定，標志著加工方案已經確定，主要流程如下：

數控銑上下基準面→數控鉆2-Ф12H9孔→數控銑背面倒角→翻面精銑兩側端頭→精銑緣條高→精銑閉角側緣條外形→粗銑內形→精銑腹板→精銑內形筋條→精銑筋條交接處轉接R6.5→精銑雙曲面外形（五坐標）→半精銑緣條內形（五坐標）→精銑緣條內形（五坐標）→精銑緣條與筋條轉接R6（五坐標）→測量→去工藝凸臺（三坐標）→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 側刃漸進插補法加工外形緣條

從零件的加工難點來看，外形曲面的加工非常重要，加工中我們采用側刃漸進插補法加工理論外緣。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，按設計要求，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，結果造成了刀具切削刃上局部區(qū)域磨損嚴重，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，一般都需要進行鉗工打磨修整，增加了多余的工作量，對于鈦合金零件特點，打磨溫度受到了嚴格的限制，不得高于54℃，否則會產生表層組織過燒現象，影響零件的使用功能。因為該緣條曲面為凸面，并且設計已給出允許的容差值，所以在編程時，我們采用側刃漸進插補加工方法來加工。行切法與側刃漸進插補法的加工見表1。

表1 行切法與側刃漸進插補法的比較

從上面比較的結果，不難得到結論，側刃漸進插補法的確有一定的優(yōu)勢可言，下面就詳細地介紹這種加工方法原理與應用（見圖3）。

圖3 側刃漸進插補法原理

所謂側刃漸進插補法原理，是利用刀具側刃在被加工曲面上沿著既定的程序軌跡“滑動”，刀具的側刃在切削過程中，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分配軸向偏移量的大小（見圖4中I所示），最終實現曲面的加工。顯然，側刃漸進插補法，只能進行凸曲面的加工，對凹曲面加工一定要慎重使用。

4.2 加工方式的設置

對于粗加工，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合金刀具刀齒出現“崩刃”現象。

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

4.3 編程容差設置

加工容差從理論上決定了零件加工后實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擬合理論幾何形狀，而擬合的精確，主要取決于被加工零件容差數值的大小。

加工容差的數值大小，不是固定不變的，應根據零件實際要求的幾何加工精度，確定加工容差的具體數值。此外，零件的粗加工與精加工的容差設置，也不應該完全一致。粗加工應該追求高效率，以最大可能地去除絕大多數金屬材料為目的，所以粗加工的加工容差應盡量放大。而精加工則是追求零件加工后幾何形狀的正確性和準確性為目的，所以精加工的加工容差，應盡量縮小。

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極大地提高。

5 結束語

上大梁的數字化加工過程中，我們采取了有效的工藝方法，防止了零件變形，對外緣條雙曲面的加工，采用側刃漸近插補法；對大閉角區(qū)的加工，采取有效的編程方法，避免了由于帶刀銑傷腹板。而在整個零件的編程過程中，我們采用了清轉角處理法，保證了零件的加工品質。實踐證明，該工藝方案能夠加工出合格產品，產品品質穩(wěn)定，表面光度好。這一類零件的加工，為我們以后生產大尺寸多型面薄壁零件提供了經驗。

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

[2]陳日曜.金屬切削原理[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998.

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