大深寬比鈦合金整體構(gòu)件高效加工技術(shù)研究*

牟建偉，李亮亮，孫國雁

（航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 110034）

當(dāng)今航空工業(yè)迅速發(fā)展，對飛機性能的要求越來越高，高機動性、大載彈量、長續(xù)航、抗復(fù)雜工況是提升飛機戰(zhàn)斗能力的重要指標(biāo)要求，這對飛機的重量、結(jié)構(gòu)形式提出了更大挑戰(zhàn)。大型整體薄壁結(jié)構(gòu)件成為飛機主要骨架的重要結(jié)構(gòu)形式，是降低飛機結(jié)構(gòu)重量、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)強度性能指標(biāo)的有效方式。受限于鈦合金的鍛造和加工工藝，以往的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件多采用分段鍛造、分段加工、焊接再加工的方式實現(xiàn)，為了提升飛機的服役壽命，大型整體鍛造鈦合金需加以應(yīng)用，但是由于其整體性所帶來的結(jié)構(gòu)形式、加工工況均相當(dāng)復(fù)雜，制造難度較大。

飛機TA15鈦合金大型整體大深寬比零件作為飛機機翼的重要零件，是區(qū)別于由多個零件加工–焊接–再加工的重大工藝改進，其整體成扁深開口盒子狀，結(jié)構(gòu)剛性差、裝配孔位精度高、半封閉復(fù)雜結(jié)構(gòu)多，加工工藝可達性極差，使其成為超難加工的飛機零部件。許多學(xué)者對薄壁結(jié)構(gòu)零件的加工進行研究，主要分為3種方式：第1種是控制變形和切削穩(wěn)定性，提高形面精度。在薄壁零件的側(cè)銑加工中，過大的靜態(tài)變形通常會破壞輪廓公差。在刀具包絡(luò)面上壓印預(yù)測的刀具/工件變形來構(gòu)造加工表面可以有效地減小薄壁零件銑削加工的表面誤差[1–3]。Wan等[4]提出了一種在工件上附加適當(dāng)質(zhì)量來提高顫振穩(wěn)定性的有效方法，并通過薄壁零件的銑削驗證其有效性和可靠性。Wang等[5]通過優(yōu)化切削順序來降低銑削變形提高加工質(zhì)量，根據(jù)有限元仿真工件變形情況及時修正切削參數(shù)，以減少工件變形提升形面精度。第2種是進行刀具矢量及切削路徑規(guī)劃，提高加工效率和精度。刀軸矢量的大幅度變化不僅會導(dǎo)致較大的加工誤差，而且加工效率較低?；谶\動學(xué)特征的五軸數(shù)控加工刀軸矢量規(guī)劃能夠保證旋轉(zhuǎn)軸的平滑運動，使復(fù)雜曲面的加工過程更加穩(wěn)定可靠[6]。黃濤等[7]對比分析了不同傾角加工的切削力和加工變形，對刀具路徑軌跡和刀軸傾角進行了優(yōu)化，最后通過葉片加工進行了驗證。Zhou等[8]提出了基于最優(yōu)刀具軌跡的銑削變形控制方法，提高了工件的銑削剛度，從而提升了加工效率。第3種是針對特定結(jié)構(gòu)，優(yōu)化裝夾方案。合理的裝夾能夠控制加工變形與振動，有效提升薄壁零件的加工穩(wěn)定性[9]。Xing等[10]采用一種效率更高的分步優(yōu)化法，首先將基于工程經(jīng)驗篩選后的所有可行裝夾節(jié)點按區(qū)域分組，通過初步優(yōu)化獲得最優(yōu)裝夾位置，可以顯著降低薄壁零件的定位誤差和加工變形。Zeng等[11]則通過輔助支撐的技術(shù)提高加工精度，依次在最大振動位置處增加輔助支撐，逐步優(yōu)化支撐數(shù)目和位置。另外還有采用智能夾具方式，結(jié)合傳感技術(shù)、信號識別處理算法和控制論，使智能夾具與機床的交互成為可能，但是目前主要應(yīng)用于簡單零件，針對復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的智能夾具還未開展相關(guān)研究[12]。

上述研究在工藝方案優(yōu)化、刀矢及切削路徑規(guī)劃和裝夾工藝設(shè)計等方面已經(jīng)取得了一定的成果，但是在復(fù)雜零件的工程化加工應(yīng)用方面還有待提升。本文針對復(fù)雜的、具有大量半封閉深腔的大型鈦合金整體鍛件，從工藝路線制定、裝夾方案、切削方案等多方面，系統(tǒng)性地給出了解決方案。

1 工藝分析

鈦合金整體大型大深寬比零件構(gòu)型復(fù)雜，如圖1所示。目前，需采用整體鍛造工藝+整體機加來實現(xiàn)，主要的工藝難點如下：

圖1 飛機整體大深寬比結(jié)構(gòu)件Fig.1 Aircraft integral large depth-width raido structural part

（1）零件整體呈大深寬比結(jié)構(gòu)，工藝可達性差，主軸頭無法達到深腔內(nèi)部，常規(guī)五軸聯(lián)動機床無法加工出設(shè)計所需尺寸；

（2）零件剛性較弱，最小壁厚2.8mm，材料去除量約89%，加工中易出現(xiàn)變形，尺寸和形狀精度不易保證；

（3）切削工藝性差，型腔深度170mm，刀具懸深過大且磨損更加嚴(yán)重，銑削顫振極易發(fā)生；

（4）零件存在大量的閉角+曲面結(jié)構(gòu)形式，加工效率低，且尺寸精度不易保證。

2 工藝路線制定

對于復(fù)雜的鍛造鈦合金結(jié)構(gòu)件，材料去除量通常較大，且由于鍛造工藝不穩(wěn)定使得加工中易發(fā)生變形，因此，在制定總體的工藝路線時，就要綜合考慮設(shè)備、裝夾、工藝方法、工具、加工難點、不易控制因素以及加工效率和成本。

首先確定的總體路線是三軸機床+五軸機床混合的加工方式。主要原因有： （1）粗精加工機床分開，利用三軸機床結(jié)構(gòu)簡單、剛性好的優(yōu)勢，提高切削加工效率； （2）在工序轉(zhuǎn)移時，增加零件自然失效時間，讓零件充分變形，釋放殘余應(yīng)力。具體的工藝路線如圖2所示，即三軸粗加工（粗銑上面→粗銑下面→粗銑深腔→粗銑耳片→粗銑二墻腹板槽）→五軸耳片精加工→五軸深腔精加工（銑深腔內(nèi)壁上段→銑翼面→銑深腔內(nèi)壁中段→銑翼面→銑深腔內(nèi)壁下段→銑翼面）→去耳片工位工藝凸臺→去深腔工位工藝凸臺→鉗→檢驗。

圖2 飛機整體大深寬比結(jié)構(gòu)件加工工藝路線Fig.2 Process route of aircraft integral structural part with large depth-width ratio

3 工藝方案設(shè)計

3.1 裝夾規(guī)劃

為了實現(xiàn)零件的高效裝夾，在飛機整體結(jié)構(gòu)件的基礎(chǔ)上設(shè)計了典型工藝凸臺和輔助工藝凸臺，通過數(shù)控機床一次銑平，保證相互位置精度，其工藝凸臺分布情況如圖3所示。在零件上端采用等間距、對稱式工藝凸臺排布，共10處，在零件加工時起主要支撐和定位作用。在切削過程中，零件剛度不斷發(fā)生變化，極易發(fā)生微小失穩(wěn)，可能造成整體零件的尺寸差、部分側(cè)壁厚度減薄現(xiàn)象，導(dǎo)致無法滿足飛機的設(shè)計要求。為了更好地保證零件夾持穩(wěn)定性，在零件下端近耳片位置對稱分布了10個輔助工藝凸臺，起到了輔助支撐作用。

圖3 工藝凸臺分布圖Fig.3 Distribution of process bosses

3.2 定夾角曲面高效銑削

傳統(tǒng)的曲面銑削方式為球頭刀或圓鼻銑刀的圓角切削刃行切，加工效率極低（圖4（a））。針對翼面減重槽等曲率較小的曲面，提出了定夾角刀具底刃大步距曲面高效加工方法。根據(jù)翼面減重槽小曲率近平面的特性，在滿足刀具刀柄與其他曲面和夾具不干涉的情況下，采用圓鼻銑刀底刃切削，保持刀軸始終垂直于曲面，增大了切削步距，提高了加工效率（圖4（b））；另外，依據(jù)減重槽待銑削面積的大小，采用不同直徑的刀具進行加工。

圖4 小曲率曲面定夾角銑削Fig.4 Fixed angle milling of small curvature surface

3.3 恒穩(wěn)態(tài)深腔分段加工

深腔的不同位置剛度差異較大，且不同位置的加工方式及刀具軌跡是不同的，因此綜合考慮加工時間及加工精度，提出了恒穩(wěn)態(tài)深腔分段加工方法，將深腔內(nèi)壁的銑削分為3段加工，如圖5所示。在深腔剛度好的時候銑削上部，此時刀具加工的懸伸量較小，可以有效地減少薄壁零件加工中常遇到的顫振現(xiàn)象[13–14]，并且在此部分的加工中可以選擇高的進給速度和大的切削量，以提高加工效率；深腔中部的加工主要考慮人字形加強筋的加工，避免刀具和工件的干涉現(xiàn)象；深腔下部加工時刀具的懸伸量較大，刀具剛性弱，出現(xiàn)干涉的可能性增大，此時采用較小的切削用量和進給速度，用于保證尺寸精度。

圖5 內(nèi)壁銑削分段示意圖Fig.5 Milling diagrammatic sketch of inner wall

3.4 拓角度減重精準(zhǔn)加工

在整體翼盒內(nèi)壁加工時，存在五軸聯(lián)動機床難以加工到的區(qū)域，為了實現(xiàn)零件的加工尺寸精度要求，選用拓角度加工方案，如圖6所示。即在五軸聯(lián)動機床上，增加一個角度頭裝置，拓展機床的擺角范圍。由于整體翼肋深度方向過大且寬度不夠，人字形加強筋的下部加工難度極大。通過數(shù)控加工程序多輪次模擬仿真，破解了機床主軸、擺角頭、刀柄、刀具與零件的干涉難題，動態(tài)調(diào)整擺角角度，實現(xiàn)了閉角無余量的精準(zhǔn)加工。

圖6 小空間角度頭加工Fig.6 Machining by angle head in small space

4 結(jié)論

通過對大深寬比鈦合金整體結(jié)構(gòu)件的高效加工研究，實現(xiàn)了該類零件的成功研制，得出如下結(jié)論。

（1）合理的工藝路線、裝夾方案對于保障大型鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的高效精準(zhǔn)加工至關(guān)重要。提出了三軸+五軸混合加工總體技術(shù)方案，粗精加工階段分開，并保證零件時效工藝，綜合考慮了設(shè)備、裝夾、工藝方法、工具、零件特征，實現(xiàn)了零件高效加工。

（2）針對減重槽小曲率近平面特征，提出了定夾角刀具底刃大步距曲面高效加工方法，增加了刀具有效切削接觸面積，極大地提高了小曲率曲面的加工效率。

（3）針對深腔局部特征多樣化、結(jié)構(gòu)剛性差異性大的問題，提出了恒穩(wěn)態(tài)分層加工方案，劃分為上、中、下3部分進行切削，依據(jù)刀具剛性，制定出不同的加工工藝參數(shù)，提高了零件的加工表面質(zhì)量和效率。

（4）針對五軸聯(lián)動機床加工可達性不足的現(xiàn)象，提出了拓角度加工策略，開展機床主軸–擺角頭–刀柄刀具–零件的聯(lián)動仿真，動態(tài)調(diào)整擺角角度，實現(xiàn)了零件難加工區(qū)域的減重精準(zhǔn)制造。