鈦合金腹板梁的加工

趙軍，孫國雁，黃炎

航空工業(yè)沈飛（集團）有限公司數(shù)控加工廠 遼寧沈陽 110034

1 序言

鈦合金由于密度小、比強度高及耐蝕性強等特點，近年來已經(jīng)在國際航空事業(yè)中得到了大規(guī)模的應用。鈦合金材料具有熱導率小、彈性模量小及化學活性高等特點，在實際加工中，容易造成切削溫度高、回彈嚴重、刀具壽命短及切削效率低等問題，降低了鈦合金的可加工性[1]。分析零件結(jié)構(gòu)，鈦合金零件多為薄壁、內(nèi)外形復雜的零件，毛料去除率一般為80%～90%，去除量較大，因此如何合理安排加工方案，從而優(yōu)質(zhì)高效地加工鈦合金零件，顯得十分重要和必要。

2 零件結(jié)構(gòu)及加工要求

圖1所示腹板梁零件的外廓尺寸為1060mm×420mm×64mm，材料為鈦合金。

圖1 腹板梁零件

腹板梁是某組合腹板的主要焊接承力部件，屬于典型腹板梁類結(jié)構(gòu)，單面槽腔、正反端面均為多個平面接合而成，為典型的AB面加工零件。實際加工中，毛料為模鍛件，均勻余量3mm。此外，腹板梁部分外形處均需預留焊接余量，薄壁處尺寸精度要求高，數(shù)控加工存在難度。

3 工藝分析

在數(shù)字化加工過程中，主要需要考慮材料性能、工藝方案，其中工藝方案包括機床夾具、加工方法、刀具及量具等多方面因素，要逐一分析各因素中的具體問題，并制定詳細的解決方案，才能保證腹板梁優(yōu)質(zhì)高效地加工。

3.1 材料性能

該零件材料屬于典型的α鈦合金，熱處理后硬度和強度都有所增大，屬于航空難加工材料。分析材料的機械加工性能，其劣勢主要有以下幾方面。

1）鈦合金導熱系數(shù)小、散熱性能差，加工過程中溫度高，切屑易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象。

2）鈦合金比熱小、熱量不易擴散，加工過程中，刀具局部位置持續(xù)高溫，加快了刀具磨損，增大了發(fā)生崩齒現(xiàn)象的概率。

3）TA15 M鈦合金在高溫環(huán)境下，化學穩(wěn)定性差，400℃以上即可產(chǎn)生致密氧化膜，還與氮、氫等發(fā)生反應，增加了加工難度。

結(jié)合材料主要特點，在實際數(shù)控銑加工過程中，采用大前角、小后角刀具，前/后角分別取6°～8°、6°～12°。刀具材料以硬質(zhì)合金鋼為主，保證切屑可以快速脫落、帶走熱量，降低了表面燒傷、氧化及粘刀切傷的風險。

3.2 工藝結(jié)構(gòu)

腹板梁在裝配過程中充當梁類承力部件，但實際結(jié)構(gòu)更偏向于腹板零件，名稱也由此而來。腹板梁主要工藝結(jié)構(gòu)特點如下。

1）單面槽腔結(jié)構(gòu)，另一面為多平面結(jié)合的折面區(qū)。

2）腹板厚度存在4mm、3.5mm、3mm及5mm等多種規(guī)格。

3）緣條厚度存在6mm、8mm、10mm、12mm及2.5mm等多種規(guī)格。

4）頭部內(nèi)形結(jié)構(gòu)尺寸較多，精度要求高。

5）多處腹板面夾角≠180°，需擺軸加工。

6）毛料為模鍛件，除孔外其余均勻余量3mm，加工容差率低。

通過分析可知，主要加工難點有4處。

1）腹板、緣條末端薄壁處因缺少連接結(jié)構(gòu)，100%讓刀，薄壁尺寸難以保證。

2）多處底平面需要接合，接合處需光滑過渡，加工存在難度。

3）頭部f140mm孔為裝配孔，孔徑及孔位精度要求高，存在熱處理變形的情況，需要解決。

4）毛料均勻余量3mm，無法預留定位耳片，裝夾定位存在難度。

4 方案論證

為解決上述問題，需要從加工刀具、裝夾定位和加工流程等方面入手，保證合理且互相協(xié)調(diào)。

4.1 加工刀具

分析腹板梁結(jié)構(gòu)可知，該零件高度跨度小，來料余量小，沒有配合槽口結(jié)構(gòu)，反面均為平面接合，正面存在型腔結(jié)構(gòu)，型腔轉(zhuǎn)角90%為R10mm，底角均為R5mm，確定各工序使用的刀具見表1。

表1 各工序使用的刀具

4.2 裝夾定位

由于腹板梁零件來料為均勻3mm余量的模鍛件，無法使用凸臺定位，因此確定采用2個f18mm加強孔及筋條上表面/下表面的一面兩孔定位方式，具體流程如圖2所示。

圖2 一面兩孔定位具體流程

一面兩孔定位可保證定位準確，減小累積定位誤差，是保證產(chǎn)品精度的重要一步。

4.3 加工方式

該腹板梁屬于典型的雙面腹板類零件，因此采用AB面的加工方式即可，即反面粗加工→反面精加工→正面粗精加工，具體如下。

1）反面粗銑1mm余量，半精銑0.5mm余量，精銑到位，保證各平面表面粗糙度合格，階差尺寸保證到位。

2）正面半精銑0.8mm余量，精銑到位，減少刀路重復次數(shù)。由于反面已經(jīng)加工到位，大平面定位準確性高，所以可直接半精銑、精銑到位。

3）精銑時采用先腹板、后緣條、末筋條的形式，避免了緣條過切、腹板刮傷的現(xiàn)象。

針對3.2中的4處加工難點，制定具體的解決方案如下。

1）針對末端薄壁處尺寸，由于沒有連接結(jié)構(gòu)，加工過程中薄壁處受刀具軸向力后會發(fā)生變形，從而產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，導致薄壁處尺寸無法切削到位，且具體偏離數(shù)值無法得到控制，如果增加刀具長度補償，就會造成腹板切傷，工作量將成倍增加。圖3為理論上及實際切削時薄壁處外形，其中虛線部分為理論上切削時薄壁處外形；實線部分為實際切削時薄壁處外形。

圖3 理論上及實際切削時薄壁處外形

針對此情況，采用預留余量的加工方式，即數(shù)控加工預留0.5mm余量，后續(xù)常規(guī)使用墊塊支撐，加工到位。相比于數(shù)控加工，常規(guī)裝夾更加靈活，對于薄壁處可以使用自調(diào)千斤頂進行加固，防止了讓刀現(xiàn)象的發(fā)生。

2）針對反面平面相接處，采用f10R5硬質(zhì)合金銑刀底角行切的方式加工到位，雖然加工周期延長，但保證了相接處的加工精度和表面質(zhì)量。

3）針對頭部f140mm孔熱處理變形的情況，采取預留余量的方式，即熱處理前加工至f136mm，單邊留2mm余量，熱處理后對比樣板進行校正，后續(xù)補加工到位。

4）由于毛料均勻余量3mm，無法預留凸臺裝夾，因此只能利用外形3mm余量加工壓點，正反面加工1/2高度的外形，用于壓裝壓板，最終外形通過正反兩面接合加工到位（見圖4）。該方法的優(yōu)點在于，加工時不需要重復替換壓板，減少了接刀痕跡的數(shù)量，提高了整體表面質(zhì)量，刀路軌跡清晰、有條理，同時提高了加工效率。

圖4 外形通過正反兩面接合加工到位

5 加工容差分配及測量方式的選擇

在機械加工中，由于機床誤差、定位誤差及操作誤差等不可避免的原因，實物零件會與設(shè)計數(shù)模在尺寸方面有一定的偏差，選擇合理的偏差范圍是保證零件能夠滿足交付及后續(xù)使用的條件之一[2]。零件按照設(shè)計要求，腹板厚度極限偏差為＋0.3－0.2mm、緣筋條厚度偏差為±0.2mm，按照通用技術(shù)條件要求，外形公差為±0.2mm、孔位公差為±0.1mm。

由于該零件在航空產(chǎn)品中生產(chǎn)數(shù)量較多，因此制作了專門用于檢查零件位置和部分尺寸的模線樣板、反切外樣板，通過樣板可以準確直觀地檢查零件內(nèi)外形及孔位，相對于數(shù)字化測量，樣板檢查提高了交付效率，縮短了腹板梁的整體生產(chǎn)周期。

6 結(jié)束語

本文研究探討了鈦合金材料的性能和加工難點，對常用的刀具特點、加工思路進行了分析；探討了腹板梁局部難加工特點，制定并驗證了有針對性的解決方案；對腹板梁及類似件的完整加工流程進行梳理，總結(jié)出加工該零件的詳細方案。

鈦合金零件的數(shù)字化加工現(xiàn)已成為航空、航天、汽車和船舶等行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，如何優(yōu)質(zhì)高效地加工鈦合金零件已成為目前機械加工行業(yè)的主要研究方向。通過對某腹板梁典型零件的加工特征進行分析，制定了詳細的工藝方案，包括裝夾方案，刀具、量具及容差選擇等，為腹板梁按時高效地交付提供了技術(shù)支持，同時也為類似零件后期的工藝準備提供了充足的技術(shù)儲備。