鈦合金小型模鍛件的加工

趙軍，孫國雁，張旺

航空工業(yè)沈飛（集團(tuán)）有限公司 遼寧沈陽 110034

1 序言

在航空鈦合金加工領(lǐng)域，超過70%的小型零件（定義為輪廓最大尺寸≤200mm）采用模鍛技術(shù)制作毛坯。如何利用先進(jìn)的數(shù)控加工替代老舊的常規(guī)加工，實(shí)現(xiàn)小型模鍛件的高效優(yōu)質(zhì)數(shù)控加工，成為當(dāng)前鈦合金加工面臨的主要問題。

2 模鍛件結(jié)構(gòu)分析和技術(shù)要求

2.1 模鍛件結(jié)構(gòu)分析

圖1所示模鍛件余量最小處為左側(cè)外形，對比樣板后測量約為4mm；余量最大處為內(nèi)形底角處，對比零件數(shù)模測量約為22mm。模鍛件拔模角度為8°，端頭處由上至下余量分別為4～12mm，余量不均勻，屬于典型的不規(guī)則模鍛件。

圖1 模鍛件

2.2 零件技術(shù)要求

零件材料為TA15M，輪廓尺寸為6 4 m m×152mm×44mm。零件腹板兩側(cè)均為雙曲面，厚度分別為3.1～3.25mm和2.1～2.2mm；緣條厚度分別為2mm、3mm和4mm，除4mm處公差為±0.15mm外，其余公差均為±0.12mm，屬于典型的薄壁角盒零件。

2.3 零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析

零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析是指在滿足使用要求和設(shè)計(jì)要求的前提下，分析加工制造的可行性和經(jīng)濟(jì)性的過程[1]。 該零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析如下。

1）零件的內(nèi)槽和緣條之間的轉(zhuǎn)角大小以及內(nèi)槽和腹板之間的底角大小決定了刀具的選擇，并將直接影響零件的加工工藝性。零件底角和轉(zhuǎn)角尺寸如圖2所示，底角有R4mm、R8mm兩種規(guī)格，轉(zhuǎn)角也有R4mm、R8mm兩種規(guī)格，轉(zhuǎn)角、底角規(guī)格不統(tǒng)一，無法使用單規(guī)格刀具完成精加工，后續(xù)工藝安排時應(yīng)結(jié)合加工方案充分考慮刀具選擇。

圖2 零件底角和轉(zhuǎn)角尺寸

2）零件的外形、腹板尖角處存在多處雙曲面，三坐標(biāo)加工困難，即使通過編程指令實(shí)現(xiàn)加工，零件表面質(zhì)量也相對較差，加工效率也會受到影響。且零件局部厚度＜3mm，屬于薄壁部位，相對于三坐標(biāo)行切，使用五坐標(biāo)擺刀加工更能保證零件厚度要求，后續(xù)選擇設(shè)備時應(yīng)充分考慮。

3）毛坯結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝夾、加工。分析該角盒毛坯特點(diǎn)，兩側(cè)余量不均勻，較高一側(cè)外形余量4～12mm，預(yù)留加工凸臺最少需要切斷凸臺使用的刀具直徑值加3mm（壓點(diǎn)位置），顯然該毛坯余量不滿足預(yù)留凸臺的條件；若使用壓制零件本身加工，則加工過程中需要多次竄動壓板，實(shí)現(xiàn)銑刀的躲避，而零件自重較小，竄動壓板、多次裝夾必然導(dǎo)致零件竄動，嚴(yán)重影響零件的加工穩(wěn)定性，存在較大安全風(fēng)險。觀察毛坯，不屬于典型的四方或者六方零件，使用虎鉗加工的可能性極低。因此，只能通過修改鍛件模型或者焊接增材的方式增加工藝耳片，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、便捷的裝夾加工，后續(xù)選擇裝夾方式時應(yīng)充分考慮。

3 數(shù)控加工路線

根據(jù)零件的技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，本著機(jī)床周轉(zhuǎn)盡量少、加工工序盡量少的原則，選用五坐標(biāo)立式加工中心進(jìn)行加工。這樣整個機(jī)械加工過程就能約束在同一臺機(jī)床上完成，正反面兩個工位安排工序就能實(shí)現(xiàn)零件全部數(shù)控加工到位，實(shí)現(xiàn)了裝夾、周轉(zhuǎn)次數(shù)最小化，能夠更好地保證零件的尺寸精度，同時提升整體效率。

依據(jù)“先面后孔、先粗后精、先主后次、基面先行”的原則，初步制定的角盒零件數(shù)控加工工藝流程見表1。

表1 角盒零件數(shù)控加工工藝流程

4 工藝難點(diǎn)與解決措施

圍繞數(shù)控加工路線及零件結(jié)構(gòu)工藝性分析，確定加工細(xì)節(jié)，主要內(nèi)容如下。

1）工藝準(zhǔn)備階段主要解決裝夾定位問題，創(chuàng)新使用氬弧焊焊接工藝耳片的方式，增加裝夾定位用凸臺。

選擇焊接方式及耳片結(jié)構(gòu)時，主要考慮焊縫強(qiáng)度及熱影響區(qū)兩方面因素。在滿足強(qiáng)度要求的情況下，工藝耳片厚度應(yīng)盡可能小，以方便后續(xù)切除。該角盒零件輪廓尺寸＜250mm，依據(jù)前期焊接試驗(yàn)結(jié)論，設(shè)置兩處10mm厚工藝耳片即可滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)現(xiàn)場壓板尺寸一般為50mm，基準(zhǔn)孔直徑加切斷耳片用刀具直徑約30mm，設(shè)置工藝耳片尺寸為50mm×35mm×δ10mm。工藝耳片采用單側(cè)V形坡口，坡口深度4mm，焊接電流100A，此時10mm工藝耳片可完全焊透，零件側(cè)熱影響區(qū)約為3.5～4.2mm，毛坯余量滿足要求（焊接形式見圖3）。因工藝耳片位置精度要求較低，而手工氬弧焊操作簡單，所以為工藝耳片焊接首選。

圖3 焊接形式

通過增加工藝耳片，在耳片上鉆制2個φ12mm基準(zhǔn)孔，滿足一面兩孔數(shù)控加工快速裝夾定位，且每個工序只需一次裝夾即可完成加工，有效保障了零件的尺寸精度和表面質(zhì)量。焊接凸臺如圖4所示。

圖4 焊接凸臺示意

2）粗加工主要去除多余余量，對加工表面質(zhì)量及尺寸精度要求較低，主要以順銑為主，可以減少刀具損耗，保持機(jī)床平穩(wěn)[2]；半精加工的目的是去除粗銑后殘留，去除拐角處局部大余量，盡量保證精加工余量均勻，同時判斷零件變形及裝夾情況是否合格；精加工的目的是按照設(shè)計(jì)要求，將所有尺寸加工到位，同時保證零件加工表面質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。由于在切削過程中極易造成擦傷和接刀棱，所以必須控制加工速度，以低速進(jìn)行[3]。依據(jù)上述原則，該角盒零件數(shù)控加工過程中的刀具安排及加工策略見表2。

分析以上方案，粗銑采用Z向分層的策略。因零件輪廓尺寸較小，余量較少，可以直接使用φ20mm刀具進(jìn)行粗銑，與大直徑刀具粗銑效率相差無幾，且后續(xù)無需清理轉(zhuǎn)角，反而提升加工效率。針對內(nèi)形轉(zhuǎn)角、底角均有R8mm、R4mm兩種規(guī)格的問題，精銑先采用D20R4刀具進(jìn)行加工，然后使用D8R4刀具對R4mm轉(zhuǎn)角和R8mm底角進(jìn)行行切補(bǔ)加工，實(shí)現(xiàn)零件完全數(shù)控加工到位的目標(biāo)；對于雙曲面結(jié)構(gòu)，采用行切策略加工到位，殘留高度設(shè)置為0.01mm，以滿足表面粗糙度值Ra=3.2μm的設(shè)計(jì)要求。

表2 數(shù)控加工過程中的刀具安排及加工策略

5 結(jié)束語

該角盒零件的數(shù)控加工均是在藍(lán)寶蒂RAMMATIC 1001型五坐標(biāo)立式加工中心上完成，顯示出了五坐標(biāo)擺軸加工的優(yōu)異性。通過創(chuàng)新使用焊接工藝耳片的裝夾方式，完美實(shí)現(xiàn)了小型模鍛件數(shù)控加工的快速定位裝夾。后續(xù)刀具、編程策略及加工順序合理安排選擇，達(dá)到了穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)和高效加工，對于類似零件的數(shù)控加工具有一定的借鑒 意義。