前墻三段耳片孔加工精度的控制與應(yīng)用

劉麗娟，李忠洪，李亞宏，張磊

沈陽飛機工業(yè)集團(tuán)有限公司數(shù)控加工廠

1 引言

隨著航空業(yè)的不斷發(fā)展，高精度結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)需求量不斷增多，對其尺寸精度及表面質(zhì)量的要求不斷提高，零件結(jié)構(gòu)更趨向于薄壁化和整體化，由多組耳片及耳片孔組成的結(jié)構(gòu)件越來越多。保證耳片孔加工精度是整個零件的加工難點，通過對某機型鈦合金前墻三段耳片孔的加工，詳細(xì)論述了加工耳片孔的工藝方法以及控制耳片孔加工精度的具體措施，在保證加工效率的同時兼顧加工質(zhì)量，取得了較好的加工效果。

2 零件結(jié)構(gòu)

前墻三段為某機型上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，材料牌號為TC18鈦合金，材料狀態(tài)為最終熱處理退火狀態(tài)，毛料為模鍛件，零件外廓尺寸為930mm×85mm×77mm。零件截面呈“工”字形結(jié)構(gòu)，在正面緣條內(nèi)形上含多組耳片，每個耳片上包含兩組2×φ12H8孔和1個φ20H11孔。其中φ20H11孔為飛機導(dǎo)線孔，φ12H8孔為飛機裝配孔，裝配時，該孔通過銷軸與折疊系統(tǒng)相連，是飛機折疊系統(tǒng)的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件。零件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 零件結(jié)構(gòu)

2.1 零件典型結(jié)構(gòu)特征

2.2 加工難點分析

零件一旦發(fā)生變形，后面的耳片孔將無法滿足精度要求。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及材料特點，針對該零件加工鍛件去除率大、加工過程中易發(fā)生翹曲變形、加工質(zhì)量不易控制等問題進(jìn)行分析，主要加工難點如下：

(1)零件材料屬于難加工材料，零件材料牌號為TC18鈦合金，該材料強度高、硬度大、切削加工困難，加工過程中產(chǎn)生的切削力較大，零件易變形，刀具易磨損折斷。

(2)不易保證零件背面兩側(cè)緣條厚度。零件背面兩側(cè)緣條厚度為2mm，公差為±0.15mm，緣條長625mm，中間無筋條固定，加工中極易產(chǎn)生變形讓刀，厚度尺寸不易保證。

(3)不易保證零件耳片上孔的精度。零件上兩組2×φ12H8孔總長度為527mm，同軸度≤0.05mm，且兩個孔的孔距公差小，僅為±0.05mm。耳片孔距離零件端頭較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)處耳片與零件端頭的距離為702mm，加工時所需刀具較長。由于耳片孔直徑小，所需刀具直徑小，加工中刀具易變形，孔徑尺寸及同軸度不易保證。

(4)不易保證零件耳片厚度及槽口尺寸。零件耳片及槽口公差較小，僅為0.2mm，槽口深67mm，槽寬為17mm，加工時應(yīng)采用較小直徑刀具進(jìn)行切削，刀具剛性差，尺寸不易保證。

圖2 零件尺寸

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，零件耳片孔的精度是加工難點所在，要保證耳片孔的加工精度，必須合理安排工藝方案，使零件在機加過程中逐漸釋放應(yīng)力，以減小零件變形，從而保證后續(xù)耳片孔的加工精度。

3 數(shù)控加工工藝方案分析

根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點及加工精度要求，制定合理工藝方案，采取有效的技術(shù)手段解決零件的各加工難點是保證零件尺寸精度的關(guān)鍵。工藝方案包含工藝凸臺位置的設(shè)計、選擇合適的定位基準(zhǔn)和合理結(jié)構(gòu)尺寸的刀具以及工藝裝備。

3.1 工藝凸臺的設(shè)計與基準(zhǔn)選擇

由于零件結(jié)構(gòu)為雙緣條結(jié)構(gòu)，腹板位置處于緣條中間，在設(shè)計工藝凸臺時，需考慮到鍛件分模要求，將工藝凸臺的位置與腹板中心面設(shè)計為同一高度，凸臺寬60mm，高度為20mm，每個凸臺間距約200mm。

為避免銑切左右端頭時零件發(fā)生變形，需在零件的左右端頭各設(shè)計兩個工藝凸臺。工藝凸臺高度一致，凸臺上下表面均為加工零件正反面時的定位基準(zhǔn)。數(shù)控加工時，以零件上的2×φ10H9孔和工藝凸臺底面定位，進(jìn)行正反面數(shù)控加工。零件工藝凸臺位置及數(shù)控原點的設(shè)置見圖3。

3.2 確定加工順序

考慮到零件一側(cè)緣條開敞、一側(cè)緣條內(nèi)形包含多組耳片，所以應(yīng)先將開敞的一側(cè)加工到位，然后再加工帶耳片的一側(cè)，此加工順序容易保證腹板的厚度。第一面加工后的大腹板面可以作為加工第二面時的定位面，保證第二面的加工更加穩(wěn)固；同時，在去除工藝凸臺時，可以在腹板處設(shè)置壓板壓緊零件。

零件的加工順序如下：①加工帶耳片側(cè)的工藝凸臺，擴基準(zhǔn)孔，用于加工緣條開敞一側(cè)的定位基準(zhǔn)；②粗精加工緣條開敞一側(cè)的內(nèi)外形，保證緣條厚度、緣條高度以及腹板位置；③粗精加工帶耳片側(cè)內(nèi)外形，保證緣條厚度、腹板厚度、耳片及槽口尺寸；④去除工藝凸臺。在去除工藝凸臺過程中，應(yīng)壓緊零件并依次去除工藝凸臺。

圖3 工藝凸臺位置及原點設(shè)置

3.3 機床選擇

由于零件緣條內(nèi)外形均為雙曲面，且與腹板所成角度均小于30°，所以在數(shù)控加工零件正反面時應(yīng)選擇五軸立式銑床，機床應(yīng)為A、B擺角。由于五軸立式銑床可擺角度的最大值為±30°，滿足加工緣條內(nèi)外形的角度要求。

3.4 刀具選擇

根據(jù)零件的材料牌號及內(nèi)形轉(zhuǎn)角底角要求選擇合理的刀具材料及刀具規(guī)格。該零件材料牌號為TC18鈦合金，內(nèi)形轉(zhuǎn)角為R6，底角為R3，應(yīng)選擇硬質(zhì)合金刀具。零件為細(xì)長型結(jié)構(gòu)，數(shù)控粗加工時均采用D25R3刀具；精加工開敞側(cè)緣條內(nèi)外形時選擇D20R3刀具；精加工帶耳片側(cè)緣條外形選擇D20R3刀具。精加工內(nèi)形時，由于槽口尺寸為17mm，所以選擇用D16R3刀具粗加工后再精加工，最后采用D12R3刀具再次精加工緣條內(nèi)形及槽口，以保證內(nèi)形尺寸。

3.5 工裝設(shè)計

根據(jù)上述零件加工順序分析及基準(zhǔn)選擇可知，零件的整個加工過程需要數(shù)控銑夾兩套，即加工緣條開敞側(cè)銑夾采用工藝凸臺定位，并在零件腹板下方設(shè)計墊塊，用于安裝定位銷，只需在工藝凸臺處設(shè)置壓緊裝置。加工正面時，銑夾應(yīng)同時以工藝凸臺及腹板面定位，并在腹板處的定位塊上設(shè)置定位銷定位零件，此時應(yīng)在工藝凸臺及零件耳片上表面同時設(shè)計壓緊裝置，工藝凸臺處的壓緊裝置用于零件的加工，零件處的壓緊裝置用于去除工藝凸臺時壓緊。

3.6 編程方式選擇

除制定合理工藝方案、選擇正確的機床、工裝及刀具外，選擇合理編程方式及分配粗精加工余量也是控制零件變形的有效方法。

(1)加工緣條高時的加工方式

由于零件材料強度大，難切削，編制數(shù)控程序時應(yīng)盡量減少切寬，適當(dāng)加大切深。尤其在加工緣條高時，采用底刃切削極易折刀，此時應(yīng)徑向分層，每層切寬小于所用刀具半徑，同時分為粗精加工，粗加工留0.5mm的加工余量。

(2)保證背面緣條厚度的加工方式

背面緣條厚度小，緣條總長625mm且中間無筋條拉緊，如果采用以往的粗精加工整個緣條的方式，精加工緣條時易發(fā)生讓刀，不易保證尺寸精度。編程時應(yīng)將整個緣條按高度分為兩層，每層采用徑向分層，并留有0.2mm的精加工余量。在每一層上，粗加工后直接將此面精加工至理論位置，使緣條在較穩(wěn)固的狀態(tài)下精加工至理論尺寸。

(3)加工耳片側(cè)面，保證耳片及槽口尺寸的加工方式

由于耳片厚度公差小，且內(nèi)形轉(zhuǎn)角為R6，精加工需用D12R3刀具。因刀具直徑小，加工時易發(fā)生讓刀，不易保證厚度尺寸，可用D16R3刀具先進(jìn)行粗、精加工后再用D12刀具精加工，使D12刀具加工余量更小，以減小讓刀的發(fā)生概率，提高加工效率。此外，精加工時應(yīng)采用順銑加工，避免切削過程中由于帶刀而銑傷零件；粗加工時除開敞緣條外均需采用淺切加工方式，減少零件變形。

4 耳片孔的加工精度控制

耳片孔的精度控制是整個零件的重點環(huán)節(jié)。選擇合理的工藝方案及切削方式、減少零件的變形是保證耳片孔加工精度的前提。耳片孔加工余量的合理分配及鉆檢模刀具的設(shè)計與制造同樣是保證耳片孔精度的關(guān)鍵。

4.1 耳片孔加工余量分配

零件耳片上有兩組φ12H8孔，每組孔的總長為527mm，距離零件端頭最遠(yuǎn)尺寸為702mm，孔的長徑比大，不易保證尺寸，應(yīng)合理分配加工余量，以滿足孔徑尺寸及同軸度要求。

采用鉆孔、擴孔及鉸孔的加工方式，工序尺寸依次為:鉆至φ10，擴至φ11H11和φ11.7H11，鉸至φ11.85H8和φ12H8。加工整個耳片孔需經(jīng)過五次走刀，以保證耳片孔的加工精度。

4.2 鉆檢模設(shè)計

用鉆檢模進(jìn)行耳片孔加工時，應(yīng)根據(jù)腹板底面及腹板上2×φ10H9孔定位鉆檢模，壓緊緣條上表面。鉆模需在零件耳片兩側(cè)設(shè)置前后引導(dǎo)裝置，在耳片中間設(shè)置多處鉆模板，并在鉆模板上安裝快換引導(dǎo)套，避免加工過程中刀具發(fā)生變形。在設(shè)置前后引導(dǎo)及中間鉆模板位置時，應(yīng)與所用擴孔鉆和鉸刀的規(guī)格匹配，以保證每把擴孔鉆或鉸刀在剛進(jìn)入耳片開始加工時，刀具前引導(dǎo)能穿入前引導(dǎo)套。當(dāng)?shù)毒呷胁烤┻^耳片時，刃部不應(yīng)進(jìn)入前引導(dǎo)套內(nèi)，所以耳片中間的鉆模板與已加工的耳片距離應(yīng)大于刀具刃長。

鉆模需配備φ12H8同軸度檢驗銷棒，用于檢驗孔的同軸度及孔與零件的相對位置。零件上兩組φ12H8孔距為34.5mm±0.05mm，同樣由鉆模保證。

4.3 刀具設(shè)計

根據(jù)上述耳片孔加工余量的分配情況，針對每一組孔徑使用對應(yīng)直徑的鉆頭、擴孔鉆和鉸刀。為減少引導(dǎo)套的規(guī)格種類，將所有擴孔鉆和鉸刀前后引導(dǎo)直徑設(shè)計為同一尺寸。由于耳片孔初鉆尺寸為φ10，所以前引導(dǎo)直徑確定為φ9f 9。刀具前引導(dǎo)長度與鉆模板的位置相匹配，以保證加工前刀具前引導(dǎo)能穿入前引導(dǎo)套內(nèi)。

根據(jù)鉆模板與零件的相對位置，所有擴孔鉆及鉸刀的前引導(dǎo)長度確定為65mm。擴孔及鉸孔時所用的后引導(dǎo)為零件剛加工完成的耳片孔。為避免刀具后引導(dǎo)與零件耳片孔干涉，刀具后引導(dǎo)直徑應(yīng)比刃部直徑小0.02mm～0.04mm。根據(jù)每把刀具的刃部直徑，選取適合的尺寸公差代號，確定后引導(dǎo)直徑。后引導(dǎo)的長度應(yīng)保證刃部穿出所加工的耳片孔時后引導(dǎo)仍然能夠在已加工的耳片孔內(nèi)起到定位作用。

5 結(jié)語

為控制前墻三段耳片孔的加工精度，采用合理的工藝方案及有效的編程方式，減少零件變形，為耳片孔的順序加工奠定基礎(chǔ)。加工過程中耳片孔余量的分配、鉆檢模的結(jié)構(gòu)設(shè)計及刀具尺寸設(shè)計均是保證耳片孔加工精度的關(guān)鍵。該方案的順利實施為長耳片孔類產(chǎn)品的順序加工提供了參考。