某鈦合金梁加工變形控制方法研究

■中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 （遼寧 110850)　吳廣東 齊東昱

某鈦合金梁加工變形控制方法研究

■中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 （遼寧 110850)吳廣東 齊東昱

摘要：某鈦合金梁零件是飛機(jī)重要承力件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械加工中易變形，變形問題處理很困難，對產(chǎn)品加工效率和質(zhì)量影響很大。根據(jù)鈦合金梁類零件數(shù)控加工特點(diǎn)采用輔助工藝凸臺的工藝方案，有效地解決了變形問題，提高了零件加工效率。

某鈦合金梁零件所用的材料為TA15M，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀精度要求高。在零件研制加工過程中，鈦合金梁常因毛坯的初始應(yīng)力以及零件結(jié)構(gòu)的不對稱性和加工工藝的不盡完善等因素的影響導(dǎo)致零件變形。零件變形過大無法校正而報(bào)廢的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)現(xiàn)，不僅造成重大經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重影響零件交付的生產(chǎn)進(jìn)度。如何有效的解決鈦合金梁類零件的變形問題是航空鈦合金零件實(shí)際生產(chǎn)中不可避免的現(xiàn)實(shí)問題，必須予以解決。

1. 鈦合金梁類零件工藝性分析

某梁零件為結(jié)構(gòu)部分主要受力件，零件外廓尺寸：1 100mm×80mm×70mm；零件材料為TA15M，來料為最終熱處理退火狀態(tài)，零件的毛料狀態(tài)為模鍛件。

零件材料為TA15M鈦合金，在切削時(shí)產(chǎn)生的熱量大，切削區(qū)溫度高，摩擦系數(shù)大，導(dǎo)熱性差，化學(xué)活性高，親合力強(qiáng)，這樣加工狀況易導(dǎo)致刀具材料過燒和發(fā)生氧化從而加速刀具磨損，鈦合金這個(gè)特點(diǎn)是影響其機(jī)械加工的一個(gè)最主要因素。

鈦合金加工過程中刀尖應(yīng)力大，后刀面熱量高，鈦合金的切削變形系數(shù)?。é巍?），切屑在前刀面上的流速快且接觸面小，刀具前刀面與切屑和刀具后刀面與已加工面之間的摩擦大，再加上鈦合金不易散熱，所以刀尖處受力大，特別是刀具的后刀面溫度高，甚至高于切削面，鈦合金的這個(gè)特點(diǎn)是其加工刀具選擇和切削用量選擇的重要依據(jù)之一。

（1）結(jié)構(gòu)工藝性分析：零件為雙面型腔、緣條高、壁薄、槽多，加工過程中易變形，變形以翹曲、側(cè)彎為主，扭曲為輔（見圖1）。變形不但容易使零件的形位公差超出圖樣規(guī)定，而且在內(nèi)形加工時(shí)對于保證緣條和腹板厚度造成很大的難度，因而切削加工中采用的工藝方案尤為重要。

（3）零件關(guān)鍵部位及尺寸控制：梁類零件最關(guān)鍵的技術(shù)要求是如何保證厚度尺寸和理論外形要求，因此控制零件變形是加工關(guān)鍵控制點(diǎn)。

圖1　某梁零件結(jié)構(gòu)圖（上下各為一面軸視圖）

2. 鈦合金梁類零件加工變形的主要影響因素

影響鈦合金梁類零件加工變形的因素很多，工藝系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)控機(jī)床、銑切夾具、銑削刀具和零件等都有影響關(guān)系，其中影響較大的是零件毛料的初始?xì)堄鄳?yīng)力及零件的加工方案。

（1）材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響：零件材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力是當(dāng)沒有任何工作載荷作用的情況下，存在于零件內(nèi)部且在整個(gè)零件內(nèi)保持平衡的應(yīng)力。切削加工是被加工材料被逐漸切除的過程，隨著切削加工過程的進(jìn)

行，切削層中的殘余應(yīng)力被逐漸釋放，工件自身的剛度也發(fā)生變化，原始的自平衡條件被破壞，工件只有通過變形達(dá)到新的平衡狀態(tài)。這也是殘余應(yīng)力釋放引起工件加工變形的基本原理。

盡管近年來我國航空、航天和武器裝備的發(fā)展十分迅速，但與世界先進(jìn)水平差距仍然很大，其中主要原因之一就是零件毛料內(nèi)部殘余應(yīng)力過大，零件加工變形控制困難造成的。

（2）加工方案對變形的影響：鈦合金梁類零件的加工方案對零件變形的影響主要體現(xiàn)在零件加工裝夾方式上和切削參數(shù)選擇上。工件在切削加工過程中，隨著被切削材料的去除，一方面引起工件內(nèi)部原有殘余應(yīng)力的釋放和再分布，切削力和切削熱的作用在工件的表層產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力，隨著加工的完成零件的殘余應(yīng)力重新達(dá)到平衡狀態(tài)，最終產(chǎn)生加工變形。

不同的切削參數(shù)產(chǎn)生的切削力和切削的熱量是不同的，零件加工中相應(yīng)的刀具前刀面對加工面的擠壓以及后刀面處零件的回彈不同，切削力與零件表面產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力不同，產(chǎn)生的變形量不同。已加工表面產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與切削深度大小有關(guān)，同時(shí)切削力與零件殘余應(yīng)力及熱應(yīng)力互相耦合使零件變形控制更復(fù)雜，增加切削加工的難度。同時(shí)零件的裝夾定位方式對于鈦合金梁類零件的加工剛性影響也很大，不同的夾緊位置及夾緊力會(huì)產(chǎn)生不同的切削效果，影響加工應(yīng)力的產(chǎn)生及殘余應(yīng)力的再分布，使零件加工控制困難。

3. 鈦合金梁類零件變形加工解決方案

針對鈦合金梁類的材料特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到零件的殘余應(yīng)力及切削變形情況，從工藝系統(tǒng)方面綜合考慮進(jìn)行工藝方案的制定。

（1）毛料的選擇：設(shè)計(jì)要求的毛料形式是鍛件，因此我們在鍛件的余量及鍛件的工藝凸臺上下功夫。對于毛料的形式原則上我們要求定位容易，余量盡量少，便于找正裝夾，便于加工。

某梁毛料形式如圖2所示，在毛料的側(cè)面留4個(gè)鍛造凸臺，兩側(cè)留2個(gè)工藝凸臺，側(cè)面工藝凸臺距離約350mm。工藝凸臺規(guī)格50mm×50mm×30mm(工藝凸臺根據(jù)實(shí)際需要及鍛造情況與鍛件制造廠家共同確定)。通過毛料工藝凸臺的設(shè)置使零件更便于裝夾定位，并可利用工藝凸臺對零件工藝基準(zhǔn)進(jìn)行修正，減少變形量的影響，這樣零件在粗加工時(shí)以釋放殘余應(yīng)力為主要目的，同時(shí)粗加工產(chǎn)生的應(yīng)力變形可以通過精加工修正。隨著鈦合金加工切削效率的逐步提高，毛料的形式要求越來越受到廣大數(shù)控工藝技術(shù)人員的重視，它直接影響刀具、夾具、切削參數(shù)的選擇，也是工藝方案的制定上最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

圖2　某梁毛料工藝凸臺示意圖

（2）機(jī)床的選擇：根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，采用的是數(shù)控五坐標(biāo)立式銑床RAMMATIC 1201，加工除裝配導(dǎo)孔所有表面。RAMMATIC 1201機(jī)床額定主軸功率為27kW，最高轉(zhuǎn)速6 000r/min，機(jī)床加工剛性好，既可以用于以去除余量及釋放應(yīng)力為主的粗加工，又可以用于以保證尺寸精度和位置精度的精加工。

（3）夾具的選擇：由于此零件的批量較大，精度要求較高的關(guān)鍵性零件，選用專用夾具是非常必要的。專用夾具是根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的夾具，具有結(jié)構(gòu)合理、剛性強(qiáng)、裝夾穩(wěn)定可靠、操作方便、提高安裝精度及裝夾迅速等優(yōu)點(diǎn)。夾具主要壓緊點(diǎn)與工藝凸臺一致，在工藝凸臺所在位置設(shè)立剛性定位支撐點(diǎn)，壓緊安全可靠，這樣既可以保證零件加工時(shí)不要竄壓板，同時(shí)也能夠使零件加工剛性好，變形小，裝夾形式如圖3所示。

圖3　某梁加工裝夾圖

（4）刀具參數(shù)的選擇：根據(jù)鈦合金梁類零件易變形的加工經(jīng)驗(yàn)，在鈦梁粗加工中采用小切深、大進(jìn)給、快轉(zhuǎn)速的“大進(jìn)給”切削方式，“大進(jìn)給”的切削加工方式對于減少零件加工變形，均化毛料殘余應(yīng)力非常有效果，相對于普通的大切深、慢進(jìn)給、低轉(zhuǎn)速切削方式“大進(jìn)給”加工效率要高很多。同時(shí)“大進(jìn)

給”切削方式由于切削速度較大，使剪切變形區(qū)變窄、剪切角增大，變形系數(shù)減小并使切屑流出速度加快，從而可使切削變形減小、切削力降低，有利于提高零件的加工質(zhì)量。

精加工主要采用整體硬質(zhì)合金刀具，主要目的是在保證零件的加工精度和表面質(zhì)量要求前提下，同時(shí)提高加工效率。

銑切加工中經(jīng)常使用的參數(shù)：N為轉(zhuǎn)數(shù)（r/min），F(xiàn)z為每齒進(jìn)給量（mm/z），Vc為銑削速度（mm/min），Ap為切削深度（mm），Ae為切削寬度（mm），Vf為進(jìn)給速度（mm/min），Z為銑刀齒數(shù)，Q為金屬切除率（cm3/ min）。它們的換算關(guān)系為

Vf=Fz·N·Z

Vc=Ap·Ae·Vf=Ap·Ae·Fz·N·Z

Q=Ap·Ae·Vf/1 000=Ap·Ae·Fz·Z·N/1 000

通過對鈦合金梁類零件的切削參數(shù)的實(shí)驗(yàn)摸索我們得出的粗加工及精加工切削參數(shù)如附表所示。

某梁粗精加工刀具及工藝參數(shù)表

4. 結(jié)語

經(jīng)實(shí)踐證明，鈦合金梁類零件在加工中控制變形要考慮很多因素，如材料的特點(diǎn)，零件的結(jié)構(gòu)尺寸特點(diǎn)等，通過零件的工藝性分析，找出零件關(guān)鍵尺寸要素，給出合理的數(shù)控編程容差，采用合理的加工策略，嚴(yán)格控制確保零件的使用性能。通過梁類零件的數(shù)字化加工，提高了加工效率，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張建中.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.42-125.

收稿日期：（20150629）