超細長鈦合金梁的數(shù)控加工工藝

圖1為超細長鈦合金梁類零件。其毛料為模鍛件，材料牌號TA15M，毛料外廓尺寸3500mm×210mm×180mm，毛料重量220.5kg。零件外廓尺寸3450mm×160mm×151mm，最寬處為151mm，最窄處僅為34mm。零件外形為復(fù)雜雙曲面，雙面槽腔，緣條與腹板厚度最小處僅為2mm。尺寸精度及表面質(zhì)量要求較高。



圖1 零件模型

1 確定工藝方案

零件毛料為TA15M自由鍛件，鍛件殘余應(yīng)力導(dǎo)致了機加過程中零件的變形。零件超長且窄，長寬比范圍22.8-101.5。零件結(jié)構(gòu)面多為變角度曲面，所有緣條都為斜面，裝夾定位不可靠。緣條和腹板厚度薄，最小處2mm，公差±0.2mm。緣條較高，角度大，最高處96mm。零件的裝配關(guān)系復(fù)雜，在該梁每一個位置都有零件與之裝配。表面質(zhì)量要求高，所有轉(zhuǎn)角及底角粗糙度1.6μm。該零件結(jié)構(gòu)屬于工藝性極差的結(jié)構(gòu)類型。在加工中要解決的問題包括：機加過程中變形的控制、裝夾定位方式的選擇和縮短加工周期。

(1)零件定位方式

超細長鈦合金梁在加工過程中，定位方式的選擇至關(guān)重要。該梁長又細，且為兩面槽結(jié)構(gòu)，因此采用緣條定位。由于該零件采用斜緣條直接定位會大幅降低定位面的精度，對零件加工質(zhì)量影響很大，所以在緣條上設(shè)置工藝凸臺來進行定位，既可以保證定位基準精度，又可以避免在加工過程中頻繁的倒壓板工作。工藝凸臺的距離應(yīng)適當，如果太近會增加加工過程中的跳刀頻率，加大工藝凸臺的去除難度；工藝凸臺太遠會使定位不穩(wěn)定，增加零件在機加過程中的變形幾率，降低定位準確度。根據(jù)該梁的結(jié)構(gòu)特點，采用階梯工藝凸臺，再在梁身上鉆兩工藝孔聯(lián)合定位，孔徑分別為25H9、12H9，定位穩(wěn)定可靠。工藝凸臺外形如圖2所示。



圖2 工藝凸臺外形

(2)機床設(shè)備及工裝的選擇

超細長鈦合金梁長約3.5m，零件頭部抬起，并且工裝龐大，零件加上工裝的高度已超過500mm，所以所用機床的Z向行程必須為700mm左右。通過對現(xiàn)場機床進行考察，選用機床工作臺尺寸3500mm×1250mm，擺角范圍A±30°、B±30°，機床精度較高，能滿足零件加工要求。
超細長鈦合金梁加工采用緣條高工藝凸臺及梁身基準孔定位方式。頭部采用輔助可調(diào)支撐，用于頭部變形量的校正以及加工中變形量的去除；壓板選用Z字形壓板，可以有效降低刀具長度，避免機床與工裝的干涉，并且提高加工效率，保證零件加工后的表面粗糙度；工裝增加校驗塊的使用，用于加工中程序的驗證，以及避免工人由于用錯刀具造成的零件超差及廢品，提高了產(chǎn)品加工的一次就成功概率。正反面加工各需一套工裝。

超細長鈦合金梁緣條兩側(cè)的導(dǎo)孔接近300個，如采用傳統(tǒng)方法，常規(guī)加工難度非常大，費時費力，產(chǎn)品質(zhì)量也不易保證。使用數(shù)控機床鉆導(dǎo)孔，既省時省力，又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。采用數(shù)控鉆導(dǎo)孔需工裝要求較高。緣條兩側(cè)各一套。

(3)確定加工流程

加工流程的合理安排是零件生產(chǎn)研制的重要環(huán)節(jié)，加工流程的合理與否是導(dǎo)致零件加工變形的重要原因。加工流程的順序直接決定零件的去量方式、去量大小和去量先后順序，這些都會影響零件材料的應(yīng)力釋放，以及零件的變形大小、變形方式。合理的加工流程可以大幅降低零件的變形幾率。加工流程不僅要考慮零件的變形因素，還要保證零件尺寸精度。

根據(jù)超細長鈦合金梁的零件特點，制定零件的加工流程：模鍛件來料—銑基準面—鏜基準孔—粗銑航后面(留7mm余量)—粗銑航前面(留7mm余量)—粗銑航前面(留3mm余量)—粗銑航后面(留3mm余量)—粗銑槽一側(cè)(留3mm余量)—粗銑槽另一側(cè)(留3mm余量)—測量外形及槽口—半精銑外形(留1mm余量)—半精銑航前面(留1mm余量)—半精銑航后面(留1mm余量)—測量外形及交點孔—精銑槽口—精銑外形—測量外形及槽口—精銑航前內(nèi)形—精銑航后內(nèi)形—測量孔位等—數(shù)控鉆緣條導(dǎo)孔—銑工藝凸臺—鉗工鉆筋條導(dǎo)孔—半檢—清洗—熒光檢驗—吹砂—標識—成檢—交付。通過多次不斷的翻面加工以及去量的逐漸遞減，有效消除零件變形，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

(4)刀具的選擇及參數(shù)的確定

數(shù)控加工機床采用冷卻液冷卻，結(jié)合零件的鈦合金材料，應(yīng)以淺切刀具和整體合金直柄立銑刀為主，國產(chǎn)鑲齒合金刀具為輔。由于鈦合金屬于難加工材料，對刀具的質(zhì)量和性能要求都很高。

依據(jù)現(xiàn)有參數(shù)庫及零件的實際加工情況來確定刀具加工參數(shù)。在切削中主要的切削參數(shù)有：主軸轉(zhuǎn)速n、切削深度ap、切削寬度ae、每齒進給量fz、刀具齒數(shù)Z和進給速度vf，其中vf=nZfz。

鈦合金加工刀具的齒數(shù)一般是多齒刀具，在加工該零件選用的刀具絕大多數(shù)都是4齒刀具。影響刀具加工效率的主要參數(shù)是主軸轉(zhuǎn)數(shù)(n)和刀具每齒進給量(fz)。表1為參與加工的主要刀具的規(guī)格及加工參數(shù)。



表1 加工刀具選擇及切削參數(shù)數(shù)值

2 數(shù)控程序的編制

根據(jù)零件的變形控制、來料狀態(tài)、零件結(jié)構(gòu)特點、機床特性、刀具特點等，編制數(shù)控加工程序。在編制程序時需有效避免一些常見的問題：①避免刀具路徑冗余，減少不必要的跳刀；②盡量采取順銑的走刀方式，保證零件尺寸精度；③針對不同的余量，采取徑向以及軸向的分層加工，保證刀具切削余量均勻，降低機床及刀具的損耗；④避免刀具垂直與零件接觸；⑤在轉(zhuǎn)角要降低加工速度，普通轉(zhuǎn)角降速值是正常切削的60%，特殊轉(zhuǎn)角(例如工藝凸臺內(nèi)側(cè)筋條轉(zhuǎn)角)降速要達到20%。保證無人工干預(yù)的正常切削；⑥精加工前清轉(zhuǎn)角，保證精銑的銑切量均勻；⑦正確計算R退縮值。

程序的走刀方式也可以影響零件的變形，比如淺切、順銑等都可以大幅降低零件的變形量。淺切加工不僅可以大幅提高金屬去除率，更重要的是可以降低切削力、減少加工應(yīng)力，有利于減小零件加工中的變形，同時還可以降低機床負荷、保護數(shù)控機床。淺切使用的專用的加工刀具，該類型刀具加工效率較高，以D20R4刀具為例，進給速度可達1432mm/min，相比普通的刀具粗銑進給速度60mm/min，效率可以高出幾倍甚至十幾倍。淺切加工特別適合超細長鈦合金梁的粗加工。

選用“roughing”命令編制淺切程序，在半精加工和精加工過程中采用徑向分層的方式，每層進量0.5，在保證零件精度的前提下，可以大幅降低切削應(yīng)力，減小零件的變形量。

小結(jié)

制定一套合理的工藝方案適用于超細長鈦合金梁類零件，通過應(yīng)力釋放、優(yōu)化切削方式與合理刀具參數(shù)等方法有效控制了零件變形，采用工藝凸臺定位的方式也起到了很好的定位效果。該方案已通過加工驗證，在實際加工中取得了非常好的效果，最終生產(chǎn)出了合格的零件，加工過程穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量合格。