大型鈦合金精鑄件數(shù)控加工技術(shù)研究與應(yīng)用

劉元吉，陳清良，駱金威，張 娜

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都610092）

鈦合金以其比強(qiáng)度高、機(jī)械性能好和耐腐蝕性能強(qiáng)等特點(diǎn)在現(xiàn)代飛機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在高性能戰(zhàn)斗機(jī)中，鈦合金所占的比例已高達(dá)到40%[1]。而鈦合金精鑄件不僅具備鈦合金材料自身的諸多優(yōu)異性能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)大型薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確成型，有效提高材料利用率，減少機(jī)械加工量，從而降低生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期[2]。這類鑄件因其質(zhì)量輕、整體比強(qiáng)度高、可靠性高，在航空航天領(lǐng)域內(nèi)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

但鈦合金精鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、局部剛性較弱，加工過(guò)程中協(xié)調(diào)關(guān)系多，變形控制難度大，對(duì)工藝方案以及加工過(guò)程控制要求高，主要表現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：（1）零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工序流程長(zhǎng)；（2）局部余量及材料去除量不均勻，如加工中易產(chǎn)生切變形及加工振動(dòng)；（3）需要多工序重復(fù)定位加工，加工過(guò)程裝夾難，典型零件如圖1所示。

目前，國(guó)內(nèi)部分航空制造企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了該類精鑄件加工，滿足了基本的飛機(jī)性能需求[3]，但加工方案存在工藝流程繁瑣、鉗工打磨量多、加工過(guò)程人工干預(yù)多等問(wèn)題，影響了零件的加工質(zhì)量及效率。

圖1 大型鈦合金精鑄件示意圖Fig.1 Large titanium alloy casting

以圖1中的典型零件為例，根據(jù)該零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文制定了加工工藝方案。針對(duì)其工藝流程繁瑣、局部剛性弱、加工變形控制難、局部特征加工困難（如大直徑協(xié)調(diào)臺(tái)階孔、深窄槽腔）等問(wèn)題，從零件裝夾、刀具應(yīng)用、切削參數(shù)、加工策略等方面提出了相應(yīng)的工藝技術(shù)解決方案。

1 零件分析

1.1 毛坯特點(diǎn)

鈦合金精鑄件毛坯，多處尺寸已經(jīng)到位，由于鑄造精度的不穩(wěn)定會(huì)帶來(lái)以下加工問(wèn)題：非加工面與加工面之間的協(xié)調(diào)關(guān)系難以保證，易形成加工臺(tái)階，鉗工打磨量大；加工余量不均勻，零件在加工過(guò)程中易產(chǎn)生變形。

1.2 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

零件為整體框架結(jié)構(gòu)，Z向凈高大于650mm，內(nèi)部支撐較少，局部剛性差；薄壁結(jié)構(gòu)多，大部分筋緣條厚度為2~2.5mm，可加工性較差；有深槽腔耳片、4 個(gè)大直徑臺(tái)階交點(diǎn)孔等難加工結(jié)構(gòu)，槽寬、孔徑及同軸度要求較高，典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)及部位如圖2所示。

1.3 零件變形分析

該零件受鑄件成型后受殘余應(yīng)力、毛坯熱處理殘余應(yīng)力以及加工應(yīng)力分布不均等因素的影響，易變形。為半封閉的框架式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部支撐少，后端面呈敞開(kāi)結(jié)構(gòu)，無(wú)加強(qiáng)工藝筋條,結(jié)構(gòu)剛性差，導(dǎo)致加工中易形成高度方向錯(cuò)位、型面彎曲、開(kāi)口端護(hù)張等變形,主要的變形因素為：毛坯鑄造成型后組織結(jié)構(gòu)分布不均造成的熱應(yīng)力釋放不均衡；局部材料去除量大，內(nèi)應(yīng)力釋放不均勻。

圖2 難加工結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Difficult processing structure diagram

2 數(shù)控加工工藝方案

通過(guò)對(duì)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及加工難點(diǎn)進(jìn)行分析,制定工藝方案，包括快速定位、裝夾、變形控制以及尺寸精度控制。

2.1 總體工藝流程

原數(shù)控工藝流程共包括25 道工序，存在多次裝夾、修基準(zhǔn)、檢查余量、鉗工打磨等重復(fù)工序內(nèi)容，零件周轉(zhuǎn)次數(shù)多，加工效率低。結(jié)合新型數(shù)控設(shè)備、工藝裝備以及工藝方法，對(duì)原工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后僅有12 道工序，工藝流程如圖3所示。

2.2 快速定位

2.2.1 粗加工基準(zhǔn)確定

零件數(shù)模中A面（圖4）要求是平面，但鑄造不能保證其平面度，需在零件外部增加新基準(zhǔn)（工藝凸臺(tái)），通過(guò)加工工藝凸臺(tái)來(lái)調(diào)整加工的余量，解決零件定位問(wèn)題。在設(shè)計(jì)數(shù)模上增加工藝凸臺(tái)及輔助定位孔，即制作工藝數(shù)模，并將此工藝數(shù)模作為鑄造、加工、檢查的原始依據(jù)。

2.2.2 快速定位

在工裝上設(shè)置兩處固定定位銷，零件工藝凸臺(tái)對(duì)應(yīng)位置制定位孔，形成孔軸間隙配合，實(shí)現(xiàn)快速定位。工裝上原點(diǎn)端定位銷為圓柱形，遠(yuǎn)端為六邊形插銷，為零件變形預(yù)留余量，便于現(xiàn)場(chǎng)裝夾,快速定位原理及模型如圖5所示。

2.3 裝夾技術(shù)

零件上半部分處于自由狀態(tài)，兩端開(kāi)口及中間大孔等區(qū)域剛性較弱，加工中易產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工質(zhì)量。通過(guò)設(shè)計(jì)3 套帶有可調(diào)支撐的工裝，加強(qiáng)零件被加工部位的剛性，保證零件的表面質(zhì)量和尺寸精度（圖6）。

圖3 數(shù)控加工總體工藝流程Fig.3 NC machining process as a whole

為保證零件局部剛性要求，工裝上存在多處增鋼設(shè)計(jì)，如可調(diào)式支撐、懸臂式裝夾裝置。以MF2 為例，工裝中共有4 種類型的壓緊裝置如圖7所示：端頭開(kāi)敞區(qū)域壓緊裝置①、底面定位凸臺(tái)壓緊裝置②、頂面凸臺(tái)壓緊裝置③、中間腹板孔區(qū)域壓緊裝置④，零件裝夾順序?yàn)椋侯A(yù)壓緊中間腹板孔區(qū)域壓緊裝置④；壓緊頂面凸臺(tái)壓緊裝置③；壓緊中間腹板孔區(qū)域壓緊裝置④；壓緊端頭開(kāi)敞區(qū)域壓緊裝置①；壓緊底面定位凸臺(tái)壓緊裝置②，工裝裝夾順序及壓緊裝置如圖7所示。

2.4 變形控制

本文主要從工藝方案、無(wú)應(yīng)力修面、切削刀具及參數(shù)等3 個(gè)方面進(jìn)行變形控制。

2.4.1 工藝方案優(yōu)化

通過(guò)工藝流程優(yōu)化、工序合并，新的工藝方案僅12道工序，工序加工內(nèi)容相對(duì)集中，裝夾次數(shù)及鉗工打磨內(nèi)容減少，加工周期及周轉(zhuǎn)次數(shù)減少，降低了零件變形風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 零件工藝模型Fig.4 Parts process model

圖5 零件快速定位方式Fig.5 Quick parts localization way

2.4.2 無(wú)應(yīng)力修面

受鑄件成型、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，零件存在一定的變形，需通過(guò)無(wú)應(yīng)力裝夾并修面的方式逐步減少零件變形。在自由狀態(tài)下，使用銅墊片將定位凸臺(tái)底面墊實(shí)，保證壓緊時(shí)定位凸臺(tái)無(wú)變形、零件無(wú)應(yīng)力裝夾[4]，并進(jìn)行加工基準(zhǔn)修正，逐步消除零件加工過(guò)程中的變形及裝夾應(yīng)力。

2.4.3 切削刀具及參數(shù)優(yōu)化

切削力是切削加工中的一個(gè)非常重要的物理現(xiàn)象,對(duì)切削過(guò)程有著重要影響，切削力的大小將直接影響切削功率、切削熱和加工變形[5]。選擇刃口鋒利及較大前角刀具，降低切削深度采用小切深分層加工，可有效降低加工過(guò)程中的切削力及零件變形。本文選取了大進(jìn)給銑刀、新型整體硬質(zhì)合金刀具、插銑刀等代替原焊接、高速鋼等刀具，減少切削量、提高切削速度，控制零件局部特征的變形量[6]。

圖6 3套工裝示意圖Fig.6 3 sets of toolings

圖7 MF2裝夾順序及各壓緊裝置示意圖Fig.7 MF2 clamping sequence and the compaction device

2.4.4 變形及余量檢測(cè)技術(shù)

加工前對(duì)非加工面和加工面進(jìn)行測(cè)量，用于檢查加工余量和變形量，并據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定程序加工余量。在加工過(guò)程中，由于鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)存在讓刀問(wèn)題，影響零件加工精度，導(dǎo)致局部余量不均勻及尺寸超差。本文應(yīng)用探頭自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，測(cè)量實(shí)際加工尺寸與理論尺寸的差值，并將差值補(bǔ)償?shù)郊庸ぴc(diǎn)中去，從而實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程變形、讓刀的自動(dòng)補(bǔ)償。

3 難加工結(jié)構(gòu)數(shù)控加工策

該零件存在深窄槽腔、高精度交點(diǎn)孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)精度要求高，加工難度大，對(duì)刀具的選擇及藝方法要求較高。

3.1 交點(diǎn)孔加工策略研究

該鑄件上存在4 處較高精度要求的交點(diǎn)孔，精度要求為H7，孔徑均不小于200mm，其中D4

由于4 處孔同軸度要求過(guò)高（Φ0.08mm），需從一面完成所有孔的加工才能滿足精度要求；由于孔最大有效深度大于500mm，加工刀具過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致震動(dòng)較大，常規(guī)的制孔方式無(wú)法滿足加工要求。鏜孔一般以加工速度鏜進(jìn)、鏜出，容易在孔壁上留下退刀痕跡，無(wú)法滿足孔壁Ra=1.6μm 的要求。加工的4 處交點(diǎn)孔，第2 個(gè)孔D2孔徑大于第1 孔D1，導(dǎo)致無(wú)法使用一般鏜孔方式，因此，必須探索出一種適合于該類特征大孔的特殊鏜孔工藝。

針對(duì)鏜進(jìn)、鏜出方式下孔壁表面粗糙度較低的問(wèn)題，在本文采取定鏜的方式，即鏜完孔后，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，向鏜刀刀頭的反方向退刀并退出零件，避免二次切削，保證孔壁質(zhì)量，并大大地提高了鏜孔的加工效率。針對(duì)圖8中的臺(tái)階孔2，運(yùn)用定鏜和反鏜技術(shù)[7]，將鏜刀刀片反裝，合理設(shè)計(jì)走刀軌跡，并新訂具有減震效果的鏜刀桿，完成臺(tái)階交點(diǎn)孔的加工?？?、孔2 的加工工藝具體如圖9所示。

圖9（a）為鏜孔加工順序：（1）立銑刀粗銑孔1，側(cè)面留0.5~1mm 余量；（2）鏜孔，走刀軌跡由C→F，其中，在點(diǎn)D時(shí)，機(jī)床停止轉(zhuǎn)動(dòng)，鏜刀刀尖指向如圖9（a）所示（機(jī)床SPOS=0），然鏜刀向刀尖反向移動(dòng)L1到點(diǎn)E，最后快速退出零件到點(diǎn)F。圖9（b）為反鏜孔加工順序：（1）立銑刀粗銑孔2、孔3；（2）T 型刀粗銑孔3，側(cè)面留0.05~1mm 余量；（3）鏜孔，主軸停轉(zhuǎn)，鏜刀刀尖指向如圖所示（機(jī)床SPOS=0），鏜刀向刀尖反向從孔軸心運(yùn)動(dòng)到H，H→I，I→J；主軸反轉(zhuǎn)，從點(diǎn)J→K，鏜完孔后，以鏜孔速度退出零件，軌跡按K→J；主軸停轉(zhuǎn)，此時(shí)刀尖指向?yàn)镾POS=0，然后鏜刀從點(diǎn)J分別依次移動(dòng)到點(diǎn)I、點(diǎn)H，最終完成下沉孔的反鏜。

圖8 高精度交點(diǎn)孔尺寸及公差要求Fig.8 High precision intersection hole size and tolerance requirements

定鏜、反鏜的加工技術(shù)的成功應(yīng)用不僅可以解決孔壁表面質(zhì)量的問(wèn)題，也提供了一種新的鏜孔工藝，具有一定的推廣價(jià)值。

3.2 深窄槽腔加工策略研究

除了高精度的大直徑交點(diǎn)孔，零件上還存在深窄、不規(guī)則槽腔等難加工結(jié)構(gòu)。以零件上的一處深槽腔為例，該處槽口寬度尺寸精度為H11，深度大于100mm，開(kāi)敞性較差。一般采用U 鉆鉆下刀孔、傳統(tǒng)層銑或插銑去除大余量的加工方式，存在加工效率低、震動(dòng)大、刀具磨損快等問(wèn)題。本文采用大進(jìn)給銑刀粗加工及整體硬質(zhì)合金刀具精銑到位的加工方式，粗加工效率大幅提升，已加工表面紋理均勻，加工過(guò)程排屑順暢、刀具磨損平穩(wěn)[8]；采用小切深、大進(jìn)給的切削方式，可有效降低刀具切削力、減少零件振動(dòng)，參數(shù)為Dc=40mm，Vc=50m/min，F(xiàn)z=0.6mm/z，n=400rpm，F(xiàn)=960mm/min，ae=30mm，ap=0.5mm。加工軌軌跡如圖10所示。典型結(jié)構(gòu)加工效果如圖11所示。

3.3 T型槽腔加工

根據(jù)T 型槽腔結(jié)構(gòu)定制專用槽銑刀，并制定相應(yīng)的工藝方案及走刀軌跡。槽銑刀具的設(shè)計(jì)以及使用方法對(duì)其他類似結(jié)構(gòu)零件的加工均具有一定的借鑒指導(dǎo)意義。圖12為專用槽銑刀以及加工軌跡。

4 結(jié)論

本文以大型鈦合金精鑄件零件為例，針對(duì)該類精鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變形控制難、制造精度要求高等加工難點(diǎn)，分析了影響加工變形、加工精度的因素，提出了總體加工流程，從快速定位、裝夾、變形控制以及尺寸精度控制等方面詳細(xì)介紹該零件加工方案；針對(duì)其難加工結(jié)構(gòu)，如大直徑協(xié)調(diào)臺(tái)階孔、深窄槽腔等，提出了穩(wěn)定、高效的加工策略。

本文提出的大型鈦合金精鑄件的加工方案實(shí)現(xiàn)了該類零件的高效、穩(wěn)定加工，體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)數(shù)控加工技術(shù)水平的提升。同時(shí)，本文提出的變形控制、定位裝夾方案以及關(guān)鍵的數(shù)控加工技術(shù)也同樣適用于類似結(jié)構(gòu)或相似工藝特點(diǎn)的零件，為今后鈦合金精鑄件的加工以及航空飛機(jī)上類似結(jié)構(gòu)零件的加工打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有著良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖9 大直徑臺(tái)階孔加工方式Fig.9 Large diameter step hole processing way

圖10 精銑到位加工軌跡及大進(jìn)給銑刀切削參數(shù)Fig.10 Fine milling in place process track,and a large feed milling cutter cutting parameters

圖11 零件局部特征加工效果圖Fig.11 Partial feature of parts processing and rendering

圖12 槽銑刀及走刀軌跡示意圖Fig.12 Slot milling cutter and the feeding path diagram