TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁雙閉角深槽腔高效銑削技術(shù)研究

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司系統(tǒng)組件廠，成都 610091）

TC21鈦合金因其熱強(qiáng)度高、比強(qiáng)度高等優(yōu)異性能廣泛應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)件。由于TC21 切削線速度一般不超過(guò)50m/min，粗加工材料去除率一般不超過(guò)25cm3/min，精加工材料去除率一般不超過(guò)10cm3/min，其可加工性差、切削效率低的問(wèn)題嚴(yán)重制約著這種材料的進(jìn)一步推廣運(yùn)用。具有封閉雙閉角深槽腔特征的TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁類零件作為典型的實(shí)現(xiàn)起降、轉(zhuǎn)彎等旋轉(zhuǎn)操作的飛機(jī)連接疲勞關(guān)鍵回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件，其封閉深槽腔深度達(dá)到的290mm，且具有雙閉角特征，具有排屑困難、材料去除率低、多角度加工帶來(lái)多次裝夾的問(wèn)題，總的來(lái)說(shuō)給高效加工和高效裝夾帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。

唐林等[1]針對(duì)中小航空結(jié)構(gòu)件加工中存在的機(jī)床停機(jī)裝夾時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，對(duì)采用零點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工快速裝夾、柔性裝夾技術(shù)進(jìn)行了探討，總結(jié)了基于柔性裝夾的航空結(jié)構(gòu)件特征歸類、識(shí)別及裝夾知識(shí)庫(kù)。練宏

俊等[2]針對(duì)單工位機(jī)床、單個(gè)零件裝夾時(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)合，探討“零點(diǎn)工裝+氣液增力裝置驅(qū)動(dòng)”的工作臺(tái)外零件快速裝夾操作模式是否有效轉(zhuǎn)移機(jī)床切削加工中裝夾時(shí)間。陳思濤等[3]以多品種小批量混線生產(chǎn)的中小結(jié)構(gòu)件為研究對(duì)象，基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)，在工件分類管理的基礎(chǔ)上，將成組技術(shù)和精益管理有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)成組加工工裝托盤，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化可調(diào)節(jié)式壓板裝夾技術(shù)和矩陣孔系墊板裝夾技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速裝夾。方向東等[4]從快進(jìn)給銑削刀具的基本原理研究出發(fā)，基于案例對(duì)比了ATI STELLRAM 快進(jìn)給銑刀在加工航空材料與其他刀具的切削數(shù)據(jù)。唐克巖[5]運(yùn)用正交試驗(yàn)方法，分析研究銑削鈦合金材料時(shí)銑削力隨銑削速度、每齒進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度4個(gè)因素的變化規(guī)律，通過(guò)多元線性回歸分析得出銑削力的經(jīng)驗(yàn)公式，并通過(guò)單因素試驗(yàn)驗(yàn)證了該公式的準(zhǔn)確性。史琦等[6-7]詳細(xì)研究了鈦合金的特性和切削加工性，通過(guò)試驗(yàn)分析了大進(jìn)給銑削工藝的特點(diǎn)和刀具磨損機(jī)理，研究銑削速度和每齒進(jìn)給量等銑削用量、刀具磨損、刀具材料等對(duì)銑削力、銑削溫度和切屑變形的影響，獲取了較優(yōu)的銑削參數(shù)范圍。魯康平等[8]為提高鈦合金深槽的開槽切削效率，對(duì)TC4鈦合金深槽進(jìn)行了快走刀層銑開槽試驗(yàn)，詳細(xì)分析了其切削效率、切屑形態(tài)及刀具磨損情況，結(jié)果表明：在鈦合金深槽開槽加工中快走刀層銑的切削效率較高，切削過(guò)程平穩(wěn)，加工后槽腔表面的刀花均勻。陳清良等[9]在分析大進(jìn)給銑削加工中，刀具軌跡對(duì)切削效率和刃口沖擊磨損的影響的基礎(chǔ)上，從行間過(guò)渡、進(jìn)退刀方式、切削用量穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)角加工等方面提出優(yōu)化加工程序的方法。陳清良[10]還以TC4、TC4–DT 等鈦合金材料為研究對(duì)象，進(jìn)行快進(jìn)給銑削基礎(chǔ)試驗(yàn)，揭示銑削速度、每齒進(jìn)給量等切削參數(shù)對(duì)銑削力、銑削溫度以及切屑宏觀形貌的影響規(guī)律，針對(duì)性提出了程序軌跡、狀態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)典型槽腔結(jié)構(gòu)試件獲得針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的高性能加工工藝參數(shù)與技術(shù)方案。龔清洪等[11]基于生產(chǎn)實(shí)踐，以鈦合金切削冷卻方式、切削力均衡優(yōu)化以及刀具軌跡質(zhì)量穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)作為突破口，進(jìn)行詳細(xì)闡述，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)鈦合金結(jié)構(gòu)件高速高效加工。楚王偉等[12]結(jié)合飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工特點(diǎn)，對(duì)鈦合金高效加工技術(shù)進(jìn)行了深入分析。通過(guò)在粗、精加工過(guò)程中合理采用強(qiáng)力銑削、大進(jìn)給銑削、插銑及高速銑等加工方式，實(shí)現(xiàn)了鈦合金零件的高效銑削加工，提高了鈦合金的加工效率，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

上述對(duì)鈦合金的工藝性能和快進(jìn)給高效切削加工以及快速裝夾的研究取得了一些成果，但大多停留在試驗(yàn)階段，快進(jìn)給銑刀的懸伸比通常停留在3倍徑左右，切削環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)深度達(dá)到290mm的封閉深槽腔結(jié)構(gòu)的高效銑削工藝研究還沒有涉及，對(duì)懸伸比9倍徑的快進(jìn)給刀具在TC21鈦合金材料上的高效切削研究也沒有涉及。柔性裝夾技術(shù)普遍研究的是中小結(jié)構(gòu)件孔系模塊化拼裝技術(shù)，對(duì)于大型復(fù)雜回轉(zhuǎn)構(gòu)件多工位一次快速裝夾切削沒有研究。

本文總結(jié)上述問(wèn)題，基于生產(chǎn)實(shí)踐，從夾具設(shè)計(jì)、零件工藝凸臺(tái)設(shè)計(jì)、刀具方案、切削參數(shù)、換刀方式等方面，研究TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁雙閉角深槽腔的高效切削運(yùn)用和多工位一次快速裝夾技術(shù)，總結(jié)了一套完整的結(jié)合零點(diǎn)定位和大懸伸快進(jìn)給銑削的方案。對(duì)比原方案，加工周期縮短50%以上。

1 鈦合金復(fù)雜回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件的工藝特點(diǎn)

1.1 零件材料分析

零件材料為典型熱強(qiáng)度高、比強(qiáng)度高的α+β型兩相的TC21鈦合金，同時(shí)具有大于1100MPa的高強(qiáng)度、高韌性、高損傷容限性能以及高抗疲勞性，是輕量化高強(qiáng)度材料應(yīng)用的首選。但從可切削性的角度，TC21 導(dǎo)熱性差、冷作硬化嚴(yán)重，比常見TC4、TC15 等常見鈦合金更難切削。

1.2 零件結(jié)構(gòu)分析

具有雙閉角深槽腔的TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁類零件作為典型的大型復(fù)雜回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件，存在薄壁深孔、薄壁翼面、雙閉角深槽腔、異性曲面等結(jié)構(gòu)，存在多處8 級(jí)以上精度的尺寸，且需要多次裝夾，零件結(jié)構(gòu)要求如圖1和2所示。

該零件最大的難點(diǎn)就是深度最深為290mm的帶雙閉角的封閉深槽腔的高效加工，最大封閉深槽腔槽口的長(zhǎng)寬高約為300mm×100mm×290mm，加工所需刀具懸伸長(zhǎng)徑比大，加工穩(wěn)定性差，刀具壽命短，傳統(tǒng)加工方法材料去除率低，閉角型腔如圖3所示。

總的來(lái)說(shuō)，TC21 材料本身的難切削性和該零件的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)會(huì)給零件加工造成挑戰(zhàn)，深槽腔留1mm的粗加工時(shí)間就需要100h左右，嚴(yán)重占用設(shè)備資源，影響零件的交付。

圖1 零件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Part structure diagram

圖2 零件結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2 Part structure plan

1.3 TC21鈦合金深槽腔的加工現(xiàn)狀

1.3.1 深槽腔直角區(qū)域傳統(tǒng)加工

（1）插銑加工。

插銑加工技術(shù)因插銑刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主偏角在10°～20°范圍內(nèi)，且只有軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，沒有徑向運(yùn)動(dòng)，刀具受到的彎曲力矩、徑向力很小，主要承受軸向力，所以加工過(guò)程穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生徑向震動(dòng)。但由于插銑切寬Ae很小，只能達(dá)到刀具直徑的10%左右，且進(jìn)給速F一般只能達(dá)到100mm/min，材料去除率在12～15cm3/min，常用于加工深槽腔的轉(zhuǎn)角，用于整個(gè)封閉深槽腔的粗加工則刀軌太多，效率很低，如圖4所示。

（2）U 鉆+玉米銑刀+插銑的強(qiáng)力銑削。

圖3 雙閉角深槽腔截面示意圖Fig.3 Schematic diagram of double closed angle deep groove cavity

圖4 插銑刀軌布局圖FIG.4 Plunge milling cutter layout

利用U 鉆開粗后，玉米銑刀去除波峰，最后用插銑清轉(zhuǎn)角余量的加工方案。一方面，U 鉆的切寬Ae能達(dá)到直徑的80%左右，但U 鉆和玉米銑刀的進(jìn)給速度F實(shí)際加工中只能達(dá)到60～70mm/min，且隨著深度接近300mm 時(shí)，切削速度更低，材料去除率能僅能達(dá)到20cm3/min；另一方面，玉米銑刀屬于強(qiáng)力銑削，對(duì)機(jī)床和裝夾的剛性要求很高，高價(jià)值的玉米銑刀在切削余量不均勻的切削環(huán)境中容易造成崩刃，提高加工成本。方案布局如圖5所示。

1.3.2 深槽腔雙閉角區(qū)域傳統(tǒng)加工

（1）五坐標(biāo)機(jī)床加工。

利用五坐標(biāo)機(jī)床的主軸或者工作臺(tái)擺角度配合圓角立銑刀進(jìn)行加工，可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾，不用換刀就能去除閉角區(qū)域大部分余量，且能實(shí)現(xiàn)多個(gè)角度的快速加工。由于五坐標(biāo)機(jī)床價(jià)格昂貴，維護(hù)成本較高，且零件制造周期長(zhǎng)，容易讓五坐標(biāo)設(shè)備應(yīng)用成為瓶頸。

（2）三坐標(biāo)機(jī)床加工。

利用專用工裝將零件閉角區(qū)域擺正后再用三坐標(biāo)機(jī)床配合圓角立銑刀進(jìn)行加工，雖然不占用昂貴的五坐標(biāo)機(jī)床設(shè)備資源，但必須要有專用工裝將零件墊高一個(gè)固定角度，而且當(dāng)零件有多個(gè)角度的閉角時(shí)，就需要多個(gè)不同角度的專用工裝或者通過(guò)分度機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換，如圖6所示。

圖5 刀具布局圖Fig.5 U dril,corn milling and insert milling cutter rail layout

圖6 ±3.5°附加的兩次裝夾Fig.6 ±3.5° additional two clamping

轉(zhuǎn)軸梁除了0°角的裝夾，還需要通過(guò)分度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)±3.5°附加的兩次裝夾，僅加工一個(gè)腔就需要3次裝夾3次找正坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換過(guò)程復(fù)雜，每加工1個(gè)角度，停機(jī)裝夾準(zhǔn)備時(shí)間就需要至少2.5h，不但降低生產(chǎn)效率，而且定位誤差也會(huì)給零件加工造成較大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)論哪種機(jī)床加工，利用牛鼻刀進(jìn)行閉角區(qū)域的加工都無(wú)法完全清除閉角底部區(qū)域，需要鉗工繼續(xù)打磨閉角底部殘留。

因此，基于生產(chǎn)實(shí)踐，本文從夾具設(shè)計(jì)、零件工藝凸臺(tái)設(shè)計(jì)、刀具方案、刀具軌跡、切削參數(shù)、換刀方式等方面，研究TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁雙閉角深槽腔的高效切削技術(shù)。

2 雙閉角深槽腔高效銑削技術(shù)

高效銑削技術(shù)，就是在保證刀具壽命的同時(shí)，追求材料去除率和裝夾效率的最大化的銑削技術(shù)，經(jīng)行業(yè)調(diào)研后，材料去除率目標(biāo)設(shè)定達(dá)到35cm3/min 以上，刀具壽命目標(biāo)設(shè)定達(dá)到120min 以上。想要提高鈦合金深槽腔的切削效率，需要從流程出發(fā)，找到影響加工流程的關(guān)鍵因素，進(jìn)而進(jìn)行改善，典型的TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁類零件的深槽腔特征的加工流程如圖7所示，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)和現(xiàn)場(chǎng)提取的數(shù)據(jù)顯示，裝夾次數(shù)多、刀具方案不合理和換刀方式不合理是影響切削效率低下的關(guān)鍵因素。

2.1 柔性快換夾具設(shè)計(jì)

2.1.1 夾具需求分析

（1）夾具能實(shí)現(xiàn)不同尺寸零件的專用夾具之間通用，且快速切換安裝到工作臺(tái)。

（2）夾具只需要首批零件的首件找正，快速安裝后能實(shí)現(xiàn)相同零件不同批次加工。

（3）夾具能滿足不同型號(hào)的臥式加工中心和三軸立式加工中心以及主軸旋轉(zhuǎn)的五軸加工中心。

（4）夾具能實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜回轉(zhuǎn)構(gòu)件多工位一次快速裝夾切削。

2.1.2 零點(diǎn)定位方案設(shè)計(jì)

圖7 深槽腔的粗加工高階和低階流程圖Fig.7 High-order and low-order flow charts for roughing of deep grooves

為了能最大化減少停機(jī)裝夾準(zhǔn)備時(shí)間，設(shè)計(jì)了一套基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)的柔性快換夾具。零點(diǎn)定位系統(tǒng)是一種獨(dú)特的定位和鎖緊裝置，作為機(jī)床和夾具之間的快速對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)接口，在以銑削為主的各類加工中心組成的FMS中得到了廣泛應(yīng)用。其快換夾具由固定和可移動(dòng)兩部分組成，如圖8所示，帶有多個(gè)零點(diǎn)定位系統(tǒng)鎖緊模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口夾具固定在機(jī)床工作臺(tái)上，鎖緊模塊具備定心、長(zhǎng)度定位和快速拉緊和釋放作用；可移動(dòng)部分是直接裝夾工件的，在其夾具底板下表面安裝具有定位和拉緊功能的對(duì)合鎖緊銷。

使用時(shí)可移動(dòng)部分在機(jī)床外將工件裝夾固定好，整體搬運(yùn)到機(jī)床內(nèi)通過(guò)零點(diǎn)定位系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接口準(zhǔn)確定位、快速拉緊；工序加工完成后，零點(diǎn)定位系統(tǒng)鎖緊模塊釋放對(duì)合鎖緊銷，即可將工件與可移動(dòng)部分一起搬運(yùn)撤離出機(jī)床。

根據(jù)零件的尺寸和切削力評(píng)估，設(shè)計(jì)一套具有9個(gè)鎖緊模塊的快換工作臺(tái)，布局方案如圖9所示。其中1個(gè)用于定心，1個(gè)用于定向，剩下的7個(gè)用于快速拉緊。同時(shí)該平臺(tái)針對(duì)小型零件可以任選其中的4個(gè)或者6個(gè)作為快換平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同類型不同尺寸零件的快速裝夾，具有很好的通用性。

2.1.3 零件工藝凸臺(tái)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過(guò)夾具不動(dòng)，零件相對(duì)于夾具轉(zhuǎn)角度的方式實(shí)現(xiàn)不同閉角的裝夾。為了減少零件多次裝夾帶來(lái)的找正誤差和找正時(shí)間，且為了提高定位裝夾的剛性，在原來(lái)圓工藝凸臺(tái)的基礎(chǔ)上增加角向定位塊，防止零件加工過(guò)程中發(fā)生角向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而采取零件相對(duì)于夾具不動(dòng)的方案，工藝凸臺(tái)設(shè)計(jì)如圖10所示。受力分析如圖11所示，切削力F2×L2=夾緊力F1×L1改進(jìn)，因改進(jìn)前依靠圓凸臺(tái)上的小平面進(jìn)行角向定位，L1很小，改進(jìn)后，兩個(gè)角向定位塊距離中心距離明顯增加，L1改進(jìn)>L1，可以看出角向定位塊能提供更好的防轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩。

圖8 加工中心柔性快換夾具Fig.8 Machining center flexible quick change fixture

圖9 零點(diǎn)定位系統(tǒng)鎖緊模塊布局方案圖Fig.9 Zero positioning system locking module layout scheme

2.1.4 柔性?shī)A具設(shè)計(jì)

快換夾具可移動(dòng)部分除了夾具底板下表面安裝對(duì)合鎖緊銷。底板上表面的柔性?shī)A具設(shè)計(jì)完成零件相對(duì)于夾具的裝夾和定位。如圖12所示，黃色的面為定位面，定位面的位置和尺寸精度等級(jí)一般不低于8 級(jí)；藍(lán)色表示輔助可調(diào)定位銷，通過(guò)輔助定位能夠最大限度增加大翼面的支撐；橘紅色為夾緊機(jī)構(gòu)，夾緊點(diǎn)直接設(shè)計(jì)在定位面上，保證加工剛性；綠色為坐標(biāo)系找正面。

使用時(shí)，由于坐標(biāo)系是在夾具上找正，配合高精度的零點(diǎn)定位系統(tǒng)和后面介紹的倒錐玉米銑刀，只需要一次裝夾以及首件坐標(biāo)系找正后，實(shí)現(xiàn)一個(gè)批次的零件準(zhǔn)確定位和快速拉緊，裝夾時(shí)間由原來(lái)的最長(zhǎng)8h 減少到平均2h，并且由于提高了裝夾的穩(wěn)定性和剛性，切削參數(shù)可以得到大幅度提升。

這套夾具不僅能用于在臥式加工中心上進(jìn)行深槽腔的加工，還可以用于在立式三坐標(biāo)加工中心上加工上下大翼面，實(shí)現(xiàn)多工位一次快速裝夾切削，具有很好的柔性。

2.2 大懸伸快進(jìn)給銑削技術(shù)

快進(jìn)給銑削的原理是通過(guò)減小刀具主偏角，以小切深方式進(jìn)行加工，從而保證在每齒進(jìn)給量較大、切削厚度較小的情況下相應(yīng)的切削力較小，但材料去除率反而能夠提高幾倍，加工生成接近最終形狀的外形，其數(shù)學(xué)關(guān)系為T=sin(K)Fz,其中，T為平均切削厚度，K為刀具主偏角，F(xiàn)z為每齒進(jìn)給量。由于加大了切削刃與零件的接觸線長(zhǎng)度，降低了刃口的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高了刀片的切削壽命。

圖10 優(yōu)化后的工藝凸臺(tái)設(shè)計(jì)Fig.10 Optimized process boss design

圖11 角向定位塊受力分析Fig.11 Force analysis of angular positioning block

圖12 快換夾具三維結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Three-dimensional structure of quick change fixture

表1 邦普φ35快進(jìn)給銑刀正交試驗(yàn)Table1 Bond’s φ35 fast feed milling cutter with orthogonal test

2.2.1 刀具選型

（1）刀具主偏角選型。

在鈦合金加工過(guò)程中，切削厚度是影響切削力大小的主要因素，而根據(jù)公式T切削厚度=sin(K主偏角)Fz，切削厚度T又受刀具主偏角的直接影響，所以選擇合適的主偏角是第一步。刀片類型不同其主偏角也不同，常見的有三角形可轉(zhuǎn)位刀片、方形可轉(zhuǎn)位刀片和自旋轉(zhuǎn)銑刀。由于三角形可轉(zhuǎn)位刀片和自旋轉(zhuǎn)銑刀根據(jù)不同的切削深度其主偏角會(huì)變化，帶來(lái)徑向切削力的變化，這種變化對(duì)于大懸伸刀具來(lái)說(shuō)容易引起顫振現(xiàn)象，并且隨著刀具的懸伸越長(zhǎng)，徑向切削力必須越小，所以最終選擇了主偏角為10°的方形可轉(zhuǎn)位刀片。

（2）刀頭直徑選型。

為了滿足290mm的刀具懸伸以及刀具剛性，刀具直徑應(yīng)盡量大。但槽腔的轉(zhuǎn)角半徑是20.5mm，如果刀具直徑大于φ40mm，需要增加半精加工轉(zhuǎn)角的刀軌，影響效率；如果刀具直徑小于φ35mm，需要增加整體銑型腔的刀軌，刀具懸伸比也將大于9，刀具剛性非常差，很容易引起顫振。所以優(yōu)先選擇直徑為φ35mm 或者φ40mm的快進(jìn)給刀頭。

（3）刀具接長(zhǎng)桿選型。

刀具接長(zhǎng)桿的直徑需要和刀頭配對(duì)，為了能充分保證刀具的剛性，優(yōu)先選擇φ32mm 或者φ38mm 整體式帶內(nèi)冷孔的重金屬刀桿。由于最終懸伸將達(dá)到8～9倍，所以分不同懸伸進(jìn)行切削才能保證刀具在不同深度的剛性最大化。綜合成本，最終把深槽腔分為3層進(jìn)行切削，每層切削100mm，考慮到刀柄安全距離25mm，每層的工作長(zhǎng)度等于每層最大切削深度加上刀柄安全距離，最終選用了接長(zhǎng)刀桿的工作長(zhǎng)度分別是125mm、225mm、215mm。

（4）刀頭齒數(shù)選型。

為了能提高進(jìn)給速度從而提升材料去除率，在轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給達(dá)到上限的基礎(chǔ)上，刀具齒數(shù)越多越好，目前市場(chǎng)上φ35mm 或者φ40mm的刀頭普遍最多能做到5 齒，所以最終選擇5 齒的刀頭。

由于廠家φ40mm的刀頭以及φ38mm的接長(zhǎng)桿，最終我們選擇了主偏角為10°的φ35mm的5 齒方形可轉(zhuǎn)位快進(jìn)給銑刀以及φ32mm的系列接長(zhǎng)桿。

2.2.2 切削參數(shù)與刀具壽命

切削參數(shù)的提升常會(huì)帶來(lái)刀具壽命的降低，所以需要同時(shí)平衡材料去除率與刀具壽命，才能實(shí)現(xiàn)高性能加工。目標(biāo)是一組刀片的一個(gè)角度加工能滿足150min的壽命的同時(shí)，平均材料去除率能達(dá)到30cm3/min。為了獲得不同懸伸比的最佳切削參數(shù)，針對(duì)不同的懸伸比設(shè)計(jì)了三因素三水平的正交試驗(yàn)（表1）。

根據(jù)3組正交試驗(yàn)，各懸伸比的最佳參數(shù)組合見表2。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，TC21封閉深槽腔的粗加工材料去除率達(dá)到了31cm3/min，刀具懸伸比在4倍徑以內(nèi)時(shí)，材料去除率甚至超過(guò)了40cm3/min，同時(shí)每組刀片的每個(gè)角度的切削壽命保持150min 以上，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，證明整體加工方案有效，且處于行業(yè)領(lǐng)先水平。后期如果能定制刀頭直徑φ40mm、刀桿直徑φ38mm，且齒數(shù)5 齒以上的刀具方案，其平均材料去除率還至少能提升15%～20%，進(jìn)一步提高切削效率。

2.3 倒錐玉米銑刀銑削技術(shù)

2.3.1 刀具選型

為了實(shí)現(xiàn)夾具不動(dòng)，零件也不動(dòng)，刀頭主軸也不偏移角度的情況下加工深槽腔雙閉角區(qū)域，定制了專用的倒錐玉米銑刀（圖13）。根據(jù)閉角深槽腔的角度設(shè)計(jì)倒錐玉米銑刀的倒錐角度為-3.3°。由于玉米銑刀屬于重載切削，刀頭直徑越大剛性越好，且需要加工最深處為290mm，結(jié)合倒錐角度，刀頭最大直徑為φ82mm，刀桿直徑最大只能設(shè)計(jì)為φ50mm，且刀桿和刀柄一體化。由于最終懸伸將達(dá)到6倍徑，經(jīng)所以分不同懸伸進(jìn)行切削才能保證刀具在不同深度的剛性最大化，綜合成本，最終把深槽腔分為3層進(jìn)行切削，每層切削100mm，由于刀頭長(zhǎng)度為40mm，考慮到安全距離和夾持長(zhǎng)度，選用了刀桿的工作長(zhǎng)度分別是125mm、190mm、250mm的接長(zhǎng)刀桿。

2.3.2 切削參數(shù)與刀具壽命

為了實(shí)現(xiàn)高性能切削，且獲得不同懸伸比的最佳切削參數(shù)，針對(duì)不同的懸伸比各設(shè)計(jì)了3 因素3 水平的正交試驗(yàn)（表3）。

目標(biāo)是一組刀片的一個(gè)角度加工能滿足120min的壽命的同時(shí)，平均材料去除率能達(dá)到20m3/min。由于深槽腔雙閉角區(qū)域的余量隨著深度增加而增加，最淺處余量為0，最深處余量達(dá)到15mm，余量的不均勻性給加工帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，根據(jù)3組正交試驗(yàn)，各懸伸比的最佳參數(shù)組合見表4。

2.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，TC21封閉深槽腔雙閉角區(qū)域的加工材料去除率達(dá)到了18m3/min，并且保持了120min 換一次刀的刀具壽命狀態(tài)。雖然材料去除率只是快進(jìn)給銑刀的60%，由于總的閉角區(qū)域切削余量不多，且相比于多次裝夾帶來(lái)的裝夾時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)，利用倒錐玉米銑刀加工深槽腔雙閉角區(qū)域效率提升1倍以上，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，證明整體加工方案有效。

2.4 換刀方式提效

傳統(tǒng)的深槽腔加工方式為U 鉆+玉米銑刀+插銑，換刀次數(shù)每件垂尾轉(zhuǎn)軸梁達(dá)到了70次左右，每次換刀需要至少7min，也就是需要8h 進(jìn)行換刀。通過(guò)優(yōu)化后，選擇快進(jìn)給銑刀銑深槽腔直角區(qū)域+倒錐玉米銑刀銑深槽腔雙閉角區(qū)域的加工方案，由于材料去除率和刀具壽命的提升，換刀次數(shù)降低到20次。為了進(jìn)一步減少換刀時(shí)間，傳統(tǒng)的換刀方式為取出刀體后換刀片，優(yōu)化后的換刀方式為，準(zhǔn)備A和B兩套刀體，換刀時(shí)，直接把完整的刀體B換成刀體A，每次換刀統(tǒng)計(jì)僅需要2min，整體換刀時(shí)間只需要40min，進(jìn)一步提升了加工效率。

表2 快進(jìn)給刀各懸伸比的最佳參數(shù)組合Table2 Best combination of parameters for each of the fast-feeding knives

圖13 倒錐玉米銑刀結(jié)構(gòu)Fig.13 Inverted cone corn milling cutter structure

表3 正交試驗(yàn)Table3 Orthogonal test

2.5 現(xiàn)場(chǎng)加工驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工的100 件零件的追蹤和詳細(xì)數(shù)據(jù)記錄，對(duì)比原方案，加工周期縮短50% 以上，實(shí)際加工數(shù)據(jù)如圖14所示。由于試驗(yàn)階段，切削參數(shù)相對(duì)保守，刀具壽命還有冗余量，現(xiàn)場(chǎng)加工驗(yàn)證階段普遍切削參數(shù)普遍進(jìn)行了10%左右的提升，且根據(jù)機(jī)床數(shù)據(jù)追蹤，計(jì)算得到利用快進(jìn)給銑削方式的雙閉角深槽腔粗加工的材料去除率3.9倍懸伸比能保持41cm3/min 以上，6.7倍懸伸比能保持32cm3/min 以上，9倍懸伸比能保持28cm3/min 以上，且平均材料去除率能保持35cm3/min 以上，同時(shí)每組刀片的每個(gè)角度的切削壽命保持150min 以上，基本達(dá)到高效銑削的目的。

圖14 轉(zhuǎn)軸梁深槽腔的加工時(shí)間序列圖Fig.14 Processing time series diagram of deep groove cavity of shaft beam

3 結(jié)論

本文基于生產(chǎn)實(shí)踐，從零點(diǎn)系統(tǒng)、夾具設(shè)計(jì)、零件工藝凸臺(tái)設(shè)計(jì)、刀具方案、切削參數(shù)、換刀方式等方面，研究TC21鈦合金轉(zhuǎn)軸梁雙閉角深槽腔的高效切削運(yùn)用和多工位一次快速裝夾技術(shù)，總結(jié)了一套完整的結(jié)合零點(diǎn)定位和大懸伸快進(jìn)給銑削的方案。

（1）總結(jié)了一套完整的銑削方案。通過(guò)正交試驗(yàn)得出各不同刀具懸伸比的最佳切削參數(shù)。

（2）設(shè)計(jì)了一套基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)的快換夾具，結(jié)合倒錐玉米銑刀，只需要一次裝夾以及首件坐標(biāo)系找正后，實(shí)現(xiàn)一個(gè)批次的零件的準(zhǔn)確定位和快速拉緊。

（3）實(shí)踐證明，懸伸比6倍徑的倒錐玉米銑刀能穩(wěn)定切削鈦合金深槽腔雙閉角區(qū)域。

（4）實(shí)踐證明，懸伸比9倍徑的快進(jìn)給刀具也能高效穩(wěn)定切削TC21鈦合金深槽腔，顫振現(xiàn)象不明顯。

（5）對(duì)比插銑，3.9倍懸伸比的快進(jìn)給刀具的材料去除率提升150%以上，6.7倍徑懸伸比的快進(jìn)給刀具提升100%以上，9倍懸伸比的快進(jìn)給刀具提升70%以上。

（6）對(duì)比強(qiáng)力銑削，3.9倍懸伸比的快進(jìn)給刀具的材料去除率提升100%以上，6.7倍徑懸伸比的快進(jìn)給刀具提升50%以上，9倍懸伸比的快進(jìn)給刀具提升40%以上。

（7）在保持高效率切削的同時(shí)，能保證快進(jìn)給每組刀片的每個(gè)角度的切削壽命達(dá)到150min，也就是一個(gè)刀片的壽命能達(dá)到600min。相比插銑和強(qiáng)力銑削，壽命也大大提升，按年產(chǎn)量50 件，每年在轉(zhuǎn)軸梁僅僅封閉深槽腔的加工就能節(jié)約刀具成本達(dá)到37.5 萬(wàn)元，因效率提升，節(jié)約的人力成本、設(shè)備折舊及能源消耗每年也能節(jié)約近30 萬(wàn)元。

表4 倒錐玉米銑刀各懸伸比的最佳參數(shù)組合Table4 Best combination of parameters for each overhang ratio of inverted cone corn milling cutter