飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件高效精密加工技術(shù)

韓世波，徐 冰，廖善聯(lián)，宋 星，紀(jì) 鵬

(中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089)

飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件高效精密加工技術(shù)

韓世波，徐 冰，廖善聯(lián)，宋 星，紀(jì) 鵬

(中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089)

鈦合金具有密度小、力學(xué)性能優(yōu)良、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多的應(yīng)用在現(xiàn)代新型運(yùn)輸機(jī)及客機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)上。但鈦合金也同時(shí)存在難切削、加工效率低、加工過程中應(yīng)力變形大、加工精度難以保證等缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的加工方法已無法滿足飛機(jī)工業(yè)對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)件的需求。為此，對(duì)可適用于加工飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件的高效精密加工技術(shù)進(jìn)行了概述，指出通過采用小切深、大進(jìn)給的高速銑削技術(shù)，大切深、小進(jìn)給的強(qiáng)力切削技術(shù)以及插銑粗加工技術(shù)可以提高鈦合金結(jié)構(gòu)件的加工效率；在制造鈦合金懸臂梁結(jié)構(gòu)件及加工結(jié)構(gòu)件上的定位孔時(shí)，采用高效精密加工技術(shù)可以提高結(jié)構(gòu)件型面及孔的精度，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短加工周期，降低飛機(jī)制造成本。

飛機(jī)；鈦合金；結(jié)構(gòu)件；高效精密加工技術(shù)

0 引 言

鈦合金材料是一種輕質(zhì)的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、車輛工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值及廣闊的應(yīng)用前景[1]。尤其是在現(xiàn)代航空制造領(lǐng)域中，鈦合金材料因其良好的機(jī)械性能、耐腐蝕性能及密度小等優(yōu)點(diǎn)，已逐步取代鋼和鋁合金，得到越來越廣泛的應(yīng)用。

然而，在實(shí)際加工中，一方面由于鈦合金本身抗塑性變形能力很強(qiáng)，使得所需切削力很大，而且在加工過程中存在“表面硬化”現(xiàn)象，已加工過的結(jié)構(gòu)件表面硬度很高，達(dá)到加工前的300% ～600%，所以切削鈦合金時(shí)所需要的切削力需進(jìn)一步增大，導(dǎo)致單位時(shí)間的金屬去除率很低，制約了加工效率；另一方面由于鈦合金材料加工過程中刀具每齒進(jìn)給量很小，刀具與結(jié)構(gòu)件材料間反復(fù)摩擦?xí)a(chǎn)生大量的切削熱，而鈦合金的熱導(dǎo)率約為 21 ～25 W/(m · K)，是45#鋼的1/3 ～1/4[2]，使得切削區(qū)的溫度很高，會(huì)加劇刀具的磨損，并限制進(jìn)給速度。因此，傳統(tǒng)的加工方法已無法滿足飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度的要求。

為此，對(duì)飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，抓住目前飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件加工過程中存在的問題，探索適用于飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件的高效精密加工技術(shù)，旨在滿足飛機(jī)生產(chǎn)研制進(jìn)度對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)件的需求。

1 飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)

鈦合金結(jié)構(gòu)件主要分布在飛機(jī)起落架連接結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)以及襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等載荷集中的關(guān)鍵承載部位，并具有以下主要特點(diǎn)。

1.1 壁厚小，外形尺寸大

在滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，一方面，為了減輕結(jié)構(gòu)重量，減少飛行過程中的燃油消耗，鈦合金結(jié)構(gòu)件的壁厚尺寸往往都很小；另一方面，為了優(yōu)化飛機(jī)結(jié)構(gòu)，鈦合金結(jié)構(gòu)件的外形尺寸往往都很大。這種情況下，若采用傳統(tǒng)的加工方法，加工過程中，隨著余量的逐漸去除，材料內(nèi)部應(yīng)力逐漸釋放出來，結(jié)構(gòu)件應(yīng)力變形越來越大，會(huì)導(dǎo)致變形難以控制，極易銑傷零件。圖1為某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙上的鈦合金結(jié)構(gòu)件示意圖。該結(jié)構(gòu)件由TC4鈦合金鍛件加工而成，質(zhì)量為18.985 kg，寬度為600 mm，長度達(dá)2 800 mm，而壁厚僅為1.5 mm。

圖1 某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙上的鈦合金結(jié)構(gòu)件Fig.1 Titanium alloy structural components of a certain type of aircraft nacelle

1.2 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲面多，槽腔深

為了保證飛機(jī)具有良好的氣動(dòng)外形及協(xié)調(diào)的襟翼運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部關(guān)鍵承載部位所使用的鈦合金結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)往往設(shè)計(jì)的很復(fù)雜，外形曲面普遍不規(guī)則，并且為了協(xié)調(diào)裝配，對(duì)曲面的精度要求很高，加工難度大。此外，為了保證結(jié)構(gòu)件的力學(xué)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)件上都設(shè)置有很多形狀復(fù)雜的立筋并形成槽腔，這些槽腔往往都很深，加工時(shí)所需刀具的長徑比大，加工進(jìn)給速度低、周期長。

1.3 孔數(shù)量多，精度高

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上設(shè)置有大量的用于結(jié)構(gòu)件間協(xié)調(diào)裝配及連接的定位孔及螺栓連接孔，并且對(duì)這些孔的孔徑精度及位置精度要求都很高，其制造難度要高于自身結(jié)構(gòu)的制造難度。

2 鈦合金結(jié)構(gòu)件加工中存在的問題

2.1 變形難以控制

飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件普遍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚小，材料去除率高達(dá)70% ～90%。隨著加工過程中材料余量被去除，材料內(nèi)部的應(yīng)力平衡會(huì)被打破，并且材料去除量越大，加工過程中應(yīng)力變形越大。此外，加工過程中的切削力及所產(chǎn)生的切削熱也是變形產(chǎn)生的重要來源。如果不事先預(yù)防或減小結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力變形，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)件尺寸造成最直接的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件銑傷或者扭曲變形。飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件往往都裝配在飛機(jī)的關(guān)鍵部位，其尺寸最為關(guān)鍵，若尺寸不合格則會(huì)影響整個(gè)飛機(jī)的強(qiáng)度及壽命。

2.2 加工效率太低

目前，普遍采用低轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給、大切深的方式對(duì)飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加工，進(jìn)給速率一般為80～100 mm/min，最高不超過120 mm/min。去除同樣體積的余量，加工鈦合金結(jié)構(gòu)件所需加工時(shí)間是鋁合金結(jié)構(gòu)件的10倍，因此飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件的加工效率很低，直接制約著結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)進(jìn)度。

2.3 加工精度難以保證

飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件的精度要求很高，結(jié)構(gòu)件的壁厚尺寸精度及裝配定位孔的位置尺寸精度會(huì)分別對(duì)結(jié)構(gòu)件的使用壽命及裝配精度造成影響。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件外形普遍不規(guī)則，其中懸臂梁結(jié)構(gòu)的立筋加工難度最大。由于其本身缺乏支撐，在加工過程中易顫動(dòng)，并且加工此類結(jié)構(gòu)件所使用的刀具長徑比普遍都比較大，易出現(xiàn)顫刀，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件被切傷。另外，結(jié)構(gòu)件上定位孔的位置精度也很關(guān)鍵，會(huì)直接影響其在飛機(jī)裝配型架上的裝配精度，決定著后續(xù)零件能否在部件上順利裝配。目前，航空制造企業(yè)一般都采用高精度的鉆模或鏜具之類的工裝輔助加工此類孔，但是在實(shí)際加工中，這種加工方法制造出來的零件一次合格率很低，甚至不到60%，直接導(dǎo)致工裝造價(jià)高，加大了飛機(jī)的制造成本。

3 高效精密加工技術(shù)的應(yīng)用

目前，飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件在加工過程中存在變形難以控制、加工效率低、加工精度難以保證等問題，為了解決上述問題,可以采用下列加工技術(shù)。

3.1 鈦合金結(jié)構(gòu)件的高效粗加工技術(shù)

3.1.1 小切深、大進(jìn)給的高速銑削技術(shù)

對(duì)于復(fù)雜的多型腔類及待加工表面為型面類的結(jié)構(gòu)件，采用小切深、大進(jìn)給的高速銑削技術(shù)可以大大提高粗加工銑削效率，減少結(jié)構(gòu)件應(yīng)力變形。刀具的主偏角會(huì)影響切削厚度、切削力以及刀具的使用壽命。在給定的進(jìn)給率下減小主偏角，則可以減小切削厚度，并且其薄屑效應(yīng)會(huì)使切削刃在更大的范圍內(nèi)與工件接觸；較小的主偏角還可以使刀片更平緩的進(jìn)入切口，有助于減少徑向壓力，保護(hù)刀片的切削刃。小切深、大進(jìn)給銑削的原理則是通過減小刀具主偏角，使刀具在很高的進(jìn)給下，能保持很小的切屑厚度，以減小高進(jìn)給時(shí)的切削力，實(shí)現(xiàn)在高切削速度下獲得很大的進(jìn)給量，增加單位時(shí)間內(nèi)的金屬切削率。尤其是對(duì)于復(fù)雜多型腔類零件，對(duì)于同樣體積的金屬去除量，大進(jìn)給銑刀的切削效率接近普通圓柱立銑刀的6 倍。此外，由于該類刀具切削時(shí)其切削力部分垂直向上，徑向切向力較小，有利于應(yīng)力釋放，消耗的功率也較小，因此該加工方法對(duì)機(jī)床的功率和剛性要求不高。

粗加工過程中，要盡量保證刀刃持續(xù)穩(wěn)定切削，刀具軌跡應(yīng)當(dāng)盡量消除尖角，在轉(zhuǎn)彎處應(yīng)適當(dāng)加圓角，使得加工過程更為平穩(wěn)，一般圓角半徑不小于刀具直徑的15%。由于此類快進(jìn)給刀具的主偏角一般在10°左右，小于傳統(tǒng)的45°主偏角刀具，因此允許在非常高的切削參數(shù)下進(jìn)行切削，雖然切屑厚度很小，但工作臺(tái)進(jìn)給非常高。此外，對(duì)于軸向和徑向切削，主要產(chǎn)生的是軸向切削力，因此采用較低的切削力可在降低振動(dòng)趨勢(shì)的同時(shí)獲得很高的金屬去除率，達(dá)到提高加工效率的目的。

3.1.2 大切深、小進(jìn)給的強(qiáng)力切削技術(shù)

對(duì)于結(jié)構(gòu)簡單的型腔類結(jié)構(gòu)件，選用玉米銑刀(如圖2)，應(yīng)用大切深、小進(jìn)給的銑削技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。這種強(qiáng)力切削技術(shù)可以使得結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力得到充分釋放，減少結(jié)構(gòu)件應(yīng)力變形。玉米銑刀刀體的剛性較強(qiáng)，其主偏角為90°，在加工過程中，刀具主要在進(jìn)給方向產(chǎn)生徑向力，被加工表面不會(huì)受到高軸向壓力的作用。玉米銑刀的切深可以高達(dá)80 mm，切寬可以達(dá)到自身直徑的一半，切削效率相當(dāng)高，適合高功率機(jī)床加工。加工過程中，需要冷卻系統(tǒng)噴射高壓冷卻液，以便及時(shí)帶走切削過程中產(chǎn)生的熱量，防止燒刀，損壞刀片。此外，高壓冷卻液還可以及時(shí)將切屑沖出加工部位，防止因排屑不暢導(dǎo)致抱死，損壞刀具本體。玉米銑刀適于側(cè)刃銑削、開敞式加工方式，當(dāng)加工封閉槽腔時(shí)，需要預(yù)先開出一條大于刀具直徑一倍以上的下刀槽，并要保證刀具在工作過程中始終保持切削寬度小于或者等于刀具自身半徑，使得不會(huì)因徑向吃刀量過大而抱死，以及有足夠的排屑空間。

圖2 玉米銑刀的照片F(xiàn)ig.2 Photo of corn milling cutter

3.1.3 插銑粗加工技術(shù)

插銑加工又稱為z軸切削法,是一種針對(duì)較深腔槽的高效加工方法。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡單的型腔類結(jié)構(gòu)件，尤其是結(jié)構(gòu)件的深槽腔部位更宜采用U鉆進(jìn)行插銑加工。插銑加工過程中，刀具沿主軸方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng),利用底部的切削刃進(jìn)行鉆、銑組合切削，走刀路線如圖3所示。

圖3 插銑加工中刀具的走刀軌跡圖Fig.3 The tool path of plunge milling

首先從結(jié)構(gòu)件外部下刀，依次按照?qǐng)D3所示的順序1、2、3、4、5進(jìn)行下刀切削，同時(shí)保證層與層之間插銑深度逐步遞減。由于插銑加工中，刀具幾乎只有軸向切削力，因此對(duì)機(jī)床功率和扭矩要求不高。此外，加工中同樣需要冷卻系統(tǒng)噴射高壓冷卻液，以便及時(shí)帶走切削過程中產(chǎn)生的熱量，否則容易燒刀，導(dǎo)致刀片損壞。高壓冷卻液還可以及時(shí)將切屑沖出加工部位，防止因排屑不暢而導(dǎo)致抱死，損壞刀具本體。

3.2 鈦合金懸臂梁結(jié)構(gòu)件的高效精密加工技術(shù)

懸臂梁結(jié)構(gòu)屬于剛性差、難加工的一種典型結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖4。

圖4 懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of cantilever beam structure

由于鈦合金獨(dú)特的物理特性，鈦合金懸臂梁結(jié)構(gòu)件的加工難度很大，加工過程中的振顫、讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重。當(dāng)結(jié)構(gòu)件懸臂高度與厚度比小于15∶ 1時(shí)，可以采用“方法1”銑削：先以非重疊走刀加工臂的一側(cè)，然后在相對(duì)側(cè)重復(fù)該操作，如圖5a所示；當(dāng)結(jié)構(gòu)件懸臂高度與厚度比大于15∶ 1時(shí)，可以采用“方法2”銑削：兩側(cè)交替以非重疊走刀加工至給定深度，如圖5b所示?！胺椒?”是臺(tái)階支撐銑削(如圖5c所示)，與“方法2”類似，但是在懸臂的相對(duì)側(cè)走刀之間是重疊的，這可以在加工部位提供更大的支撐。

3.3 鈦合金結(jié)構(gòu)件孔的高效精密加工技術(shù)

為了保證飛機(jī)上各結(jié)構(gòu)件之間的準(zhǔn)確連接，飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件上設(shè)置有若干數(shù)量的裝配定位孔，其位置精度要求都很嚴(yán)格，一般為0.1 mm。此類結(jié)構(gòu)件上的裝配定位孔通常都是通過鉆模及鏜具等工裝來輔助加工的，合格率較低。這是由于結(jié)構(gòu)件加工過程中需要轉(zhuǎn)換多個(gè)工位加工，使得結(jié)構(gòu)件上的裝配定位孔與各基準(zhǔn)要素間的相對(duì)位置誤差較大，在工裝上定位時(shí)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件上的定位基準(zhǔn)與工裝上相應(yīng)的定位基準(zhǔn)不能完全貼合。對(duì)于這些結(jié)構(gòu)件可以采用數(shù)控復(fù)合加工技術(shù)，在五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上將傳統(tǒng)的銑、鏜、鉆、鉸等工藝過程都合并在一次裝夾下完成，從而避免了工位之間轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的誤差積累，可以大大提高定位孔的加工精度。在實(shí)施中，裝夾設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵，主要考慮的因素有兩點(diǎn)：一是保證絕大多數(shù)的加工結(jié)構(gòu)特征暴露在機(jī)床加工范圍之內(nèi)。由于許多結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，角度變化大，很多部位結(jié)構(gòu)接近五軸設(shè)備擺角加工的行程極限，因此，調(diào)整和精確模擬結(jié)構(gòu)件的裝夾姿態(tài)是十分關(guān)鍵的。二是數(shù)控復(fù)合加工技術(shù)工裝夾設(shè)計(jì)方案下結(jié)構(gòu)件加工的力學(xué)穩(wěn)定性。在復(fù)合加工裝夾條件下，其裝夾約束點(diǎn)少于傳統(tǒng)的裝夾方式，同時(shí)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)件加工狀態(tài)的力學(xué)穩(wěn)定性，避免裝夾不穩(wěn)定以及劇烈震顫。對(duì)于位置精度要求高的復(fù)雜曲面應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，可以大大提高產(chǎn)品的合格率。

圖5 鈦合金懸臂梁結(jié)構(gòu)件的銑削方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of milling method for titanium alloy cantilever beam structures

4 結(jié) 語

飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件的高效精密加工技術(shù)是我國大飛機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)，為了更好的應(yīng)用和發(fā)展這一技術(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中，只有結(jié)合結(jié)構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)，選擇合適的加工技術(shù)、合理的加工參數(shù)及高效的數(shù)控加工刀具，才能最大程度的提高結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量及加工效率。而如何將三者結(jié)合，使其在生產(chǎn)中發(fā)揮最大效力，還需要進(jìn)一步研究。

[1] 萊恩斯 C,皮特爾斯 M.鈦及鈦合金[M].陳振華，等譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2]朱華.金屬切削實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

High Precision Machining Technology for Aircraft Titanium Alloy Parts

Han Shibo,Xu Bing,Liao Shanlian,Song Xing,Ji Peng

(AVIC Xi’an Aircraft Industry (Group) Co.,Ltd.， Xi’an 710089,China)

Titanium alloy has been more and more applied in airframe and engine of new transport and passenger planes,for its strong points of low density,excellent mechanical property and corrosion resistance.But it is difficult to be machined into structural components by traditional machining methods.There are some problems for processing titanium alloy structural components，such as hard to cut,low machining efficiency，large stress deformation and hard to ensure machining accuracy.So the high precision machining technologies which can be used for processing titanium alloy structural components have been summarized.It is pointed out that small cutting depth and roughing feed technology,large cutting depth and small feed technology,plunge milling technology can all improve the machining efficiency of titanium alloy structure components.Besides,by high efficiency precision machining technologies,the accuracy of molded surface and hole can be improved,and the processing cycle can be shorten,the cost of aircraft manufacturing can also be reduced.

aircraft; titanium alloy; structure component; high precision machining technology

2015-01-26

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)裝備制造”科技重大專項(xiàng)課題資助項(xiàng)目(2013ZX04001-021)

韓世波(1971—)，男，高級(jí)工程師。