某框段數(shù)字化加工方法改進(jìn)研究

崔 洋 齊東昱 孫國雁

（航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 數(shù)控加工廠，遼寧 沈陽110034）

1 概述

某框段是某型飛機(jī)關(guān)鍵部件，依據(jù)飛機(jī)的服役特點(diǎn)和零件的受力情況，選取了具有高比強(qiáng)度和良好耐蝕性等優(yōu)良性能的鈦合金作為加工材料。該框段由五部分零件經(jīng)過真空電子束焊接而成，為了保證中間兩個(gè)接頭零件上軸承孔的同軸度，對(duì)零件焊前的粗加工狀態(tài)、同基準(zhǔn)配焊有很高的要求。其中接頭零件自投產(chǎn)以來，一直采用常規(guī)銑的方法進(jìn)行加工。某批次接頭零件加工時(shí)，由于常規(guī)加工的公差累積，最終造成焊后組件軸承孔位置偏移，導(dǎo)致零件報(bào)廢，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。本次研究旨在通過實(shí)現(xiàn)某框段焊接前、后所有零部件的數(shù)字化加工，提高焊前配框的精度和焊后加工的可靠性，從源頭上避免零件因偏差而造成質(zhì)量損失。

2 零件簡介

框類零件常作為飛機(jī)的裝配骨架和支撐結(jié)構(gòu)，機(jī)身框類零件一般長細(xì)較大，屬于典型薄壁結(jié)構(gòu)[1]。該框段與傳統(tǒng)框類零件近似二維平面的結(jié)構(gòu)形式不同，其在框板中部設(shè)置了兩個(gè)接頭，通過真空電子束焊接將接頭與框板組成了一個(gè)整體，在接頭零件上設(shè)置了兩個(gè)軸承孔，這對(duì)零件配焊和焊前加工精度都提出了非常高的要求。

2.1 結(jié)構(gòu)特征

傳統(tǒng)飛機(jī)零件離散、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接頭類零件一般以鉚接的方式進(jìn)行裝配，但是機(jī)身機(jī)構(gòu)中大量的連接易導(dǎo)致搭接過多產(chǎn)生超重，同時(shí)疲勞薄弱環(huán)節(jié)的增多加劇了零件的開裂風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。該框段采用了一體化設(shè)計(jì)思路，將接頭與框板融為一體，整框由壁板左、中、右段和兩個(gè)接頭零件共5 部分組成，如圖1 所示。鑒于中間兩個(gè)接頭零件特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整框采用了分段焊接結(jié)構(gòu)，不僅大幅提高了材料利用率，同時(shí)縮短了整體加工制造周期。五部分零件焊前均留有余量，通過電子束焊接成一個(gè)整體后，再進(jìn)行整體加工。該框段為單面槽腔結(jié)構(gòu)，腹板的厚度不均，最薄處僅為2mm。零件設(shè)有6 個(gè)Φ18H9 的工藝孔，可用作焊接配框和機(jī)械加工的定位基準(zhǔn)。兩個(gè)接頭零件上各有一個(gè)Φ75 的軸承孔，裝配過程對(duì)這兩個(gè)軸承孔的同軸度有很高的要求。

圖1 某框段結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 材料特點(diǎn)

鈦合金因其比強(qiáng)度高、耐蝕性好、可焊接、熱穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為航空領(lǐng)域的主要材料。鈦合金能夠大幅減輕結(jié)構(gòu)重量，其用量的多少是體現(xiàn)飛機(jī)先進(jìn)性的顯著標(biāo)志[4]。

除了上述的優(yōu)良特性之外，鈦合金的物理特性決定了它是一種較難加工的材料：

2.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)小，切削熱量大

在切削加工過程中，高速旋轉(zhuǎn)的刀具與鈦合金摩擦后會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，切屑無法及時(shí)將熱量帶走，這些熱量集中在切削刃附近，會(huì)加劇刀具的磨損過程。

2.2.2 彈性模量小

鈦合金的這一特性會(huì)使材料在加工過程中受切削力的作用產(chǎn)生彈性變形，導(dǎo)致切削過程發(fā)生讓刀和共振，嚴(yán)重影響零件的加工精度和表面質(zhì)量，降低加工效率。同時(shí)，這也會(huì)使后刀面與零件產(chǎn)生摩擦，加劇刀具磨損。

2.2.3 表面硬化層

經(jīng)過熱軋、鍛造的鈦合金毛坯在其表面會(huì)產(chǎn)生一層硬脆的氧化皮。同時(shí)由于鈦合金有較好的化學(xué)親和性，在高溫切削過程中，與空氣中的氧和氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生硬化層。硬化層會(huì)對(duì)加工刀具產(chǎn)生非常大的破壞，造成刀具磨損甚至崩齒。

3 工藝分析和加工方法改進(jìn)

受限于之前的制造水平，焊前接頭零件采用了常規(guī)銑的加工方法，由于接頭零件沒有工藝孔，在焊接時(shí)選取了框板側(cè)面作為配框焊接基準(zhǔn)，如圖1 所示。接頭零件在常規(guī)加工過程中，由于公差累計(jì)和尺寸公差帶偏大等諸多原因，造成某批次整框焊接時(shí)，兩個(gè)接頭零件的位置出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致焊接后整框報(bào)廢，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了飛機(jī)交付進(jìn)度。數(shù)字化加工相對(duì)于常規(guī)加工能夠大幅提高加工精度，無需人工干預(yù)，加工效率高，所以實(shí)現(xiàn)接頭零件的數(shù)字化加工進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整框焊接前、后全流程數(shù)字化高效加工勢(shì)在必行。

3.1 工藝總方案的優(yōu)化

工藝總方案需要在考慮加工效率和質(zhì)量要素的基礎(chǔ)上,選擇最優(yōu)的方案，其精細(xì)程度和合理性極為重要。工藝總方案不合理，不僅會(huì)降低加工效率，延長生產(chǎn)周期，影響加工質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致刀具和零件的損傷[5-6]。

整框數(shù)字化高效加工方案的目標(biāo)如下：

3.1.1 實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)字化加工

操作者對(duì)加工過程的干預(yù)越多，機(jī)床的利用率就越低，且干預(yù)過程中存在產(chǎn)生人為失誤的可能性。新方案期望以接頭零件為突破點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接前后全流程數(shù)字化加工。

3.1.2 縮短加工周期，提高加工質(zhì)量

充分利用現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備的加工能力，提高加工效率，縮短生產(chǎn)周期，這對(duì)于生產(chǎn)任務(wù)越發(fā)緊張的航空制造企業(yè)至關(guān)重要，同時(shí)也是刀具和機(jī)床廠商共同面臨的問題。

針對(duì)以上目標(biāo)，制定了工藝總方案的改進(jìn)流程，在流程中包含了毛料狀態(tài)、專用刀具、工裝工具、試料等因素，具體如圖2所示。

圖2 工藝總方案改進(jìn)流程

3.2 方案的難點(diǎn)

接頭零件是整框最為關(guān)鍵的部件，焊后受結(jié)構(gòu)限制加工難度較大。本次研究將接頭上半部分在焊接前完成精加工，在接頭下半部位與壁板連接部位設(shè)置余量，并與壁板左、中、右段保持一致，待焊接成整框后再進(jìn)行精加工。

目前，接頭零件毛料的結(jié)構(gòu)形式是隨形的，如圖3（a）所示，實(shí)現(xiàn)接頭零件數(shù)字化加工的難點(diǎn)如下：

3.2.1 裝夾困難，走刀空間有限

為了保證接頭零件在數(shù)字化加工過程中不發(fā)生竄動(dòng)，至少需要4 個(gè)壓板同時(shí)進(jìn)行壓緊，壓板數(shù)控機(jī)床走刀空間大幅壓縮，加工過程需要人為倒換壓板位置，無法實(shí)現(xiàn)高效加工。

3.2.2 下刀深度增加，穩(wěn)定性差

接頭零件加工時(shí)，需要使用長徑比超過5 的加長刀具，隨著刀具長徑比的增加，加工穩(wěn)定愈發(fā)變差，極易出現(xiàn)零件顫動(dòng)，刀具折斷等問題。

3.2.3 焊后接頭局部難以加工

為了保證焊接質(zhì)量，同時(shí)避免表面焊接弧坑或焊道凸起影響零件表面質(zhì)量，焊接前零件各個(gè)面都設(shè)置了一定的余量。接頭零件留有余量的位置在焊接后整體加工時(shí)加工難度較大，加工過程中機(jī)床頭部與零件極易發(fā)生碰撞，存在較大質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 數(shù)字化加工的實(shí)現(xiàn)過程

3.3.1 接頭毛料狀態(tài)更改

針對(duì)接頭毛料狀態(tài)難以滿足數(shù)字化加工裝夾定位需求的問題，對(duì)其毛料狀態(tài)進(jìn)行了更改，如圖3（b）所示。新狀態(tài)將接頭零件的試料部分進(jìn)行了保留，進(jìn)而增加了毛料尺寸，為零件裝夾定位提供了空間。加工過程中只需倒換一次壓板即可完成此面所有加工工作，節(jié)省了頻繁停機(jī)調(diào)整壓板進(jìn)行加工準(zhǔn)備的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

同時(shí)在新的毛料上增加兩個(gè)Φ12 的工藝孔作為數(shù)控加工的定位基準(zhǔn)，提高了雙面加工的基準(zhǔn)統(tǒng)一性。

圖3 接頭零件毛料狀態(tài)示意圖

3.3.2 余量及焊接試料設(shè)置

在電子束焊接焊縫收縮率方面進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，厚度在40-50mm 的TA15 M 鈦合金材料，焊縫收縮率可以控制在0.6mm 甚至更低。零件對(duì)接焊縫表面單邊留有0.3mm 余量，焊道的上下表面，單面留有3mm 的余量。

圖4 帶有焊接余量和焊接試料的工藝數(shù)模

建立了設(shè)有焊接余量和焊接試料的工藝數(shù)模，如圖4 所示。在數(shù)字化加工編程時(shí)將這些區(qū)域設(shè)置為檢查面和躲避區(qū)域，同時(shí)綜合考慮壓板和工裝的放置位置，應(yīng)用vericut 軟件模擬加工時(shí)的真實(shí)情況，可以有效避免實(shí)際加工中出現(xiàn)碰撞、銑傷等問題。

3.3.3 專用工裝工具

接頭零件與框板連接的部位上表面留有3 mm 焊接余量，焊接后整框在數(shù)控設(shè)備存在刀具不可達(dá)區(qū)域，無法實(shí)現(xiàn)有效加工，只能依靠手工打磨將此部位打磨到位，加工效率極低且表面質(zhì)量差。

針對(duì)此問題特制了專用T 形刀具。在焊接前利用T 形刀具軸向分層的加工方式，將接頭與腹板連接部分加工至設(shè)計(jì)尺寸。同時(shí)，依據(jù)零件加工時(shí)的擺放方式，自制了1 個(gè)高度為38.3 mm 和一個(gè)階梯形，階梯高度分別為91.3 mm 和115.3mm 自制工裝墊塊，將零件在兩面加工時(shí)墊平。

3.3.4 加工順序優(yōu)化

通過優(yōu)化加工順序可以在一定程度上解決下刀深較大的問題。零件第一面加工過程中，并不進(jìn)行外形的粗加工，只對(duì)內(nèi)形表面進(jìn)行加工。中間的軸承孔因其大孔套小孔的結(jié)構(gòu)，必須要在此面進(jìn)行開孔。利用加長刀具螺旋切削的加工方式，將此孔粗加工成盲孔，最大程度的降低了零件的下刀深。對(duì)于零件無法避免的大下刀深位置，優(yōu)先選用加長刀柄而非加長刀具進(jìn)行加工，特別是避免只用加長刀具的R 角部分底刃切削的情況，以免刀具前部徑向受力集中發(fā)生變形或折斷。

4 結(jié)論

本次研究針對(duì)某一體化焊接框段特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有加工方案進(jìn)行了改進(jìn)完善，最終實(shí)現(xiàn)了焊接前、后零組件全流程數(shù)字化高效加工，提高了零件的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，充分展示了數(shù)字化加工的優(yōu)越性，對(duì)未來類似焊接結(jié)構(gòu)零件的全流程數(shù)字化加工提供了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。