鈦合金框架加工工藝

■ 寶雞烽火工模具技術(shù)有限公司 （陜西寶雞 721006） 孫 平 郭喜祿 關(guān)兵奇

圖1所示鈦合金框架形狀復(fù)雜，壁厚不均勻，加工容易變形。如果沒(méi)有五軸加工中心，就需要工藝創(chuàng)新，設(shè)計(jì)合理的夾具和焊接工裝，才能保證零件加工要求。

圖1 鈦合金框架三維圖

1. 零件加工難點(diǎn)分析

框架零件材料為T(mén)C4鈦合金，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示，長(zhǎng)374.3mm、寬296mm、厚51.16mm，是我公司最大的鈦合金零件。其壁厚最薄處為3mm，外形為R1 443mm大圓弧曲面，形狀復(fù)雜。鈦合金本身為難加工材料，整體加工容易變形，而且費(fèi)用很高，加工周期長(zhǎng)，影響產(chǎn)品交貨周期。原加工工藝的難點(diǎn)在于零件變形的控制，以及加工周期長(zhǎng)、材料利用率低和加工費(fèi)用高等問(wèn)題。

零件R1 443mm大圓弧曲面上分布有與曲面垂直的螺紋孔，加工難度很大，而我公司沒(méi)有五軸加工中心，需要進(jìn)行工藝創(chuàng)新，找出可行的加工方案。

2. 加工方案的設(shè)計(jì)

仔細(xì)查看和分析零件的結(jié)構(gòu)，結(jié)合鈦合金較好的焊接特性，將這個(gè)零件拆分成零件1和零件2（見(jiàn)圖3），然后焊接成形。但是因?yàn)榱慵?為曲面、薄壁框架類(lèi)零件，焊接成形很容易變形，控制變形將是很大的難題。于是采取設(shè)計(jì)焊接夾具的方式嘗試解決此問(wèn)題。該方案實(shí)施后將節(jié)省材料2/3以上，減少加工中心銑削工時(shí)100h以上。

在大圓?。ǔ^(guò)機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)半徑）和復(fù)雜曲面上鉆削與曲面垂直的孔，常用的簡(jiǎn)易方法是首先采用三軸加工中心在孔軸線(xiàn)與大圓弧曲面相交的交點(diǎn)位置鉆削中心孔，該中心孔軸線(xiàn)不在大圓弧曲面的法線(xiàn)方向；然后在大圓弧內(nèi)部支撐與大圓弧曲面法線(xiàn)方向接近的圓弧夾具，這樣鉆削的孔大致能與大圓弧法線(xiàn)方向一致，但是孔距偏差較大，必須試裝。而零件最大孔距達(dá)290mm，公差為±0.15mm，且無(wú)法試裝，所以常用方法無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)圖樣要求，必須采用可靠、經(jīng)濟(jì)可行的加工方案。

3. 零件加工工藝

零件1的加工工藝為：備料→熱處理→銑削→電切削→鉆削、攻螺紋→組裝焊接→銑削（將正反面焊接處多余金屬銑去，與相鄰面接平）。

零件2的加工工藝為：備料→熱處理→銑削。

4. 鉆孔夾具設(shè)計(jì)

圖2 鈦合金框架結(jié)構(gòu)及尺寸

圖3 將鈦合金框架分解為兩個(gè)零件

在設(shè)計(jì)鉆削框架分解后的零件1的R1 443mm大圓弧面上分布的螺紋底孔的鉆孔夾具時(shí)，由于這些螺紋孔的軸線(xiàn)在大圓弧的法線(xiàn)方向，所以?shī)A具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證夾具上與螺紋孔對(duì)應(yīng)的孔能在公司現(xiàn)有設(shè)備上加工，且能夠經(jīng)濟(jì)和可靠地保證鉆孔夾具精度。

通過(guò)仔細(xì)研究零件1的形狀和R1 443mm大圓弧面上分布的孔的特點(diǎn)和規(guī)律，我們?cè)O(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)新穎的鉆孔夾具結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4），來(lái)解決曲面上分布孔的加工難題。

1）在鉆模板上加工出R1 443mm大圓弧，作為零件1在鉆孔夾具中的定位基準(zhǔn)面。

圖4 鉆孔夾具結(jié)構(gòu)

2）左、右兩端面上R1 443mm大圓弧上分布孔的加工。首先在鉆模板上加工出R1 443mm大圓弧徑向分布的方槽；然后在方槽中裝配矩形鉆套9、3，其中矩形鉆套上鏜有與螺紋底孔大小相同的孔，最后用右矩形鉆套壓板和左矩形鉆套（限位）壓板螺釘壓在矩形鉆套露出鉆模板的端面，擰緊左、右矩形鉆套壓（限位）板螺釘，實(shí)現(xiàn)兩端鉆?？椎募庸?。

3）上、下兩側(cè)R1 443mm大圓弧上分布孔的加工。首先在鉆模板的上、下兩側(cè)銑削出與孔軸線(xiàn)平行的基準(zhǔn)面和與之垂直的孔加工面；然后在坐標(biāo)鏜床的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上旋轉(zhuǎn)孔對(duì)應(yīng)的角度，從基面推坐標(biāo)鏜削出圓鉆套裝配孔；最后將圓鉆套緊配壓入孔中。

4）鉆模板的四周和鉆模板上的R1 443mm大圓弧定位面、兩端沿R1 443mm大圓弧徑向分布的方槽，以及鉆模板的上、下兩側(cè)與孔軸線(xiàn)平行的基準(zhǔn)面和與之垂直的孔加工面，在我公司加工中心設(shè)備上加工。

5. 零件1在鉆孔夾具中的裝夾與鉆孔加工

（1）零件1在鉆孔夾具中的定位 在圖4中的鉆模板上加工出R1 443mm大圓弧，作為零件1在鉆孔夾具中的定位基準(zhǔn)面；上、下的定位由上下定位銷(xiāo)來(lái)定位；左、右的定位由左矩形鉆套壓（限位）板來(lái)定位。

（2）零件1在鉆孔夾具中的夾緊 將零件1放入鉆孔夾具中，使R1 443mm圓弧面貼緊鉆模板的R1 443mm圓弧面，放入上下定位銷(xiāo)之間，左邊靠緊圖4中的左矩形鉆套壓（限位）板螺釘進(jìn)行左、右定位。將零件1夾緊螺釘穿過(guò)鉆模板相應(yīng)的孔和零件1上相應(yīng)的長(zhǎng)方孔旋入圓弧夾緊塊相應(yīng)的螺紋孔中，擰緊，保證零件1裝夾可靠。注意夾緊塊的圓弧面要與零件1的圓弧面貼緊，不能高出零件1的R1 443mm圓弧面。

（3）鉆孔加工過(guò)程 將圖4中的R1 433mm圓弧墊鐵放在鉆床的臺(tái)面上，不僅使圓弧中心與鉆床的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)齊，而且使R1 433mm圓弧墊鐵圓弧中心軸線(xiàn)放在鉆床的臺(tái)面上時(shí)與鉆床橫梁平行。將裝有零件1的鉆孔夾具放在R1 433mm圓弧墊鐵上，保證零件1的圓弧面與墊鐵R1 433mm圓弧面貼緊，上下左右平行移動(dòng)鉆孔夾具，使其中一個(gè)孔與鉆床旋轉(zhuǎn)軸對(duì)正就可以鉆孔了。鉆其他孔時(shí)采用同樣的做法。

6. 焊接夾具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)焊接夾具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 焊接夾具結(jié)構(gòu)

7. 零件1、零件2在焊接夾具中的裝夾及焊接加工

（1）零件1、零件2在焊接夾具中的定位 圖5中焊接底板上設(shè)計(jì)了R1 433mm大圓弧作為零件1的定位基準(zhǔn)面，上、下的定位由上下定位銷(xiāo)來(lái)定位，左、右的定位由左定位銷(xiāo)來(lái)定位。焊接底板上設(shè)計(jì)了凸平臺(tái)，作為零件2的定位基準(zhǔn)面。設(shè)計(jì)的沉臺(tái)是為了確定零件2放入焊接夾具中的上下位置。零件2的左端面靠緊零件1的右端面來(lái)定位零件2在焊接夾具中的左右位置。

（2）零件1、零件2在焊接夾具中的夾緊 將零件1放入焊接夾具的上下定位銷(xiāo)與左定位銷(xiāo)中間，左端面靠緊左定位銷(xiāo)，零件1的外形R1 433mm大圓弧與焊接底板的R1 433mm大圓弧緊貼，將小壓板壓在零件1的右邊，穿入M8螺釘并擰緊，壓緊零件1的右端中間平臺(tái)；將零件2的圓弧凸臺(tái)放在焊接底板右邊的定位沉臺(tái)內(nèi)，將零件2的左端面靠緊零件1右邊的右端面并與焊接底板右邊的定位凸平臺(tái)貼緊，然后穿入M4螺釘并擰緊，壓緊零件2。將大壓板（底面設(shè)計(jì)有R1 433mm大凸圓?。┰谏舷露ㄎ讳N(xiāo)的導(dǎo)向下蓋在零件1背面的、端面形狀為R1 433mm大凹圓弧的18個(gè)凸臺(tái)上，并使兩圓弧貼緊，將M10螺釘穿入大壓板并擰緊，壓緊零件1。

（3）焊接加工過(guò)程 將零件1和零件2裝入焊接夾具定位并夾緊后，放在氬弧焊的操作平臺(tái)上，先將兩零件的連接部位焊接牢靠，然后翻面，因?yàn)樵诤附拥装迳显O(shè)計(jì)有與零件1和零件2連接部位對(duì)應(yīng)的焊接窗口，所以在反面再一次焊接就能將兩零件連接部位焊透，進(jìn)而保證了零件1和零件2的連接強(qiáng)度，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

8. 小批量試生產(chǎn)

公司鈦合金框架進(jìn)行了兩小批試生產(chǎn)，過(guò)程順暢、周期短，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)周期均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求。鉆孔夾具和焊接夾具結(jié)構(gòu)新穎，加工方案可行，可操作性強(qiáng)。最重要的是鉆孔、焊接精度穩(wěn)定可靠，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。

9. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鈦合金框架加工工藝方案的研究，掌握了鈦合金等難加工材料的加工方法以及加工中心銑削工藝參數(shù)，積累了鈦合金大型復(fù)雜曲面零件加工過(guò)程中的變形控制和變形后的處理方法及經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以后此類(lèi)零件的加工具有很好的借鑒意義。