某機典型接頭高效加工工藝

■ 中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司數控加工廠 （遼寧 110850） 張 偉

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在某型飛機上，為滿足接頭類零件的性能要求，其材料多采用高強度鈦合金，如TC21。此類接頭零件數量較多，典型特點是結構復雜，曲面筋條緣條相互穿插，筋薄槽深，配合精度、形位精度要求高。此類零件對數字化機加工水平提出較高要求，現(xiàn)有技術水平加工此類零件難度較大，質量風險較高，研制周期得不到有力保證，于是開展針對此類零件的高效數字化加工方法研究項目。

在此類零件中選擇一項作為研究對象，通過合理設置工藝凸臺，利用超長整體合金刀具，開發(fā)應用“淺切加工”、“轉角插銑”等加工技術，加入“防顫控制”、“變形控制”等先進技術手段，實現(xiàn)該類零件的全數字化加工，建立鈦合金高效加工工藝參數庫，為未來機型研制提供技術基礎和技術支持。

1.接頭的工藝性分析

（1）接頭結構特點。該零件是吊掛部分最重要受力構件之一，具有安全傳遞載荷和實現(xiàn)飛機各部位連接之功用。毛坯料為鈦合金鍛件，材料牌號TC21，零件形狀較為復雜，弧面為理論外形面，貼合飛機蒙皮，其余五面均為槽型結構，且都為配合表面，加工工藝性極差，是整個飛機吊掛部分最復雜的結構件之一，其結構如圖1所示。

（2）零件毛坯料信息。毛坯料為鈦合金鍛件，材料牌號TC21-DT-M（退火）。毛坯料外廓尺寸為340mm×310mm×160mm，質量為75kg。

（3）加工方案論證。工藝方案的確定對零件整個加工過程起著至關重要的作用，一個好的工藝方案直接關系到零件的質量，關系到零件是否能夠成功交付。此次零件加工采用無工裝六面加工。

對零件進行結構分析認為，影響零件加工的主要因素有：①零件需六面加工，五面為槽型結構，一面為弧面結構，定位不好。②槽深。每個槽的下刀深都在100mm以上，最深的達到150mm。③大角度球面閉角為35°，閉角處緣條高達150mm，開角并且外側無支撐。④零件壁厚4mm，最薄處為2.5mm，屬薄壁高筋。⑤唯一一處腹板面為大弧面，壁厚5mm。⑥零件的六個加工表面都有配合關系，尺寸精度和形位精度要求高，材料去除率高達94%，極易變形。

（4）機床的選擇。該零件六面加工，結構復雜．閉角眾多且角度較大，因此必須選擇操作平臺長度大于4m的五坐標、A角行程為±30°、B角行程為±30°的機床。為保證加工順利進行，選擇五坐標立式銑床加工此零件。

圖1 接頭結構

（5）刀具的選擇。此零件加工只使用5把刀具（包括1把角度球頭刀），保證了粗精加工刀具分開使用。一次刀具裝夾盡可能地完成該刀具能完成的工序。此零件由于結構特殊，在加工球面閉角時，為保證機床刀具、主軸頭部不與零件干涉，使用了加長刀套與刀具。未用加長刀套時，主軸頭部與零件毛坯料發(fā)生干涉。加長刀套刀柄長度為150mm，刀套總長度為200mm。刀具下刀深為100mm，刀具與刀套總長度超過250mm。

2.加工基準的確定

該零件為六面加工，采用兩側留工藝凸臺、正反兩側翻面加工的方法已經不能滿足加工要求，由于零件結構的特殊性，六面需同時留工藝凸臺（見圖2），每面凸臺既可以定位，又作為基準面，為降低多次裝夾的誤差，控制每兩相對兩平行平面之間的平行度為0.1mm，每相鄰兩垂直平面之間的垂直度為0.1mm。在零件的加工過程中，要嚴格控制凸臺的尺寸，既要保證在本工步中零件內形的有效切削面積，還要保證在下道工序中該凸臺對零件的有效定位。

圖2 工藝凸臺

3.插銑內形防顫技術應用

（1）插銑的優(yōu)勢。為防止零件在加工過程中，由于轉角處切削量突然變大而引起的刀具折斷或者零件竄動等問題，轉角處理采用插銑法，插銑法就是Z軸銑削法，其優(yōu)點在于：①減小工件變形。②采用插銑法加工，機床主要承受軸向力，可降低機床的磨損。③插銑法加工效率高，經加工驗證，采用輪廓銑加工一個40mm深槽口的時間約為2.5min，而采用插銑加工，時間僅為1min。因此加工大型鈦合金框等腹板為多槽多轉角型零件，效果尤為明顯。

（2）插銑加工的技術要求。①插銑的工序安排：插銑加工鈦合金零件型腔時，一般用于粗加工后、精銑四周緣條筋條前，由于轉角處余量過大，避免加工轉角時，由于切削量過大造成刀具折斷，而進行轉角插銑處理。②對刀具的要求：一般加工量不超過刀具直徑的1/3（整體刀具），對于鑲齒焊接刀具或鑲刀片刀具，其軸向的切削寬度不超過刀齒（刀片）寬度。③余量的要求：加工時，輪廓留0.3mm精加工余量。④插銑速度：加工鈦合金零件時，利用整體硬質合金刀具進行插銑時，刀具直徑一般選φ16mm或者φ20mm，速度一般為vf＝60mm/min。

4.機加工過程中零件變形控制

該零件的材料去除率高達94%，極易變形，而且環(huán)形槽的下刀深超過155mm，側R為R4mm，因此，在編程過程中，刀具庫中的長刀均不能滿足加工要求。針對上述問題，該環(huán)形槽的加工采用了如下加工方法：

（1）采用機夾刀片進行淺切加工，這也是一種新的加工方式。所謂淺切加工就是軸向分層銑切，小切深、大進給，每層切深1mm，切削速度vc＝1 000mm/min。采用這種方法進行切削，既可減小零件在加工過程中產生的應力集中（即控制變形量），又可提高加工效率，同時也減小了機床主軸的功率，能延長機床的使用壽命，如圖3所示。

（2）為解決側R小、大直徑刀具難加工的問題，采用φ8mm直柄刀具安裝加長細套，利用五坐標立式銑床五軸聯(lián)動高精度的加工特點進行擺角加工的方法，進行R角余量的去除，如圖4所示。

圖3 淺切刀具路徑

（3）程序編制過程中，毛坯料基礎狀態(tài)的實時模擬技術應用。由于該零件多次進行翻面加工，各面均要留凸臺，考慮到最終零件外形去除時，在最后一個工位，凸臺的準確位置無法確定，因此采用在軟件CATIA V5編制時，存儲本道工序切削后的毛坯料實體，作為下道工序切削時的毛坯料，經過這樣處理后，余料的位置及尺寸很清晰直觀，這樣可以避免撞刀。這種編程方法在實際編程應用中是值得借鑒的，如圖5所示。

5.刀具的選擇及切削參數

由于鈦合金材料本身變形系數小，所以刀具的每齒進給量不宜選擇過大，否則會加劇刀具的磨損，使刀具壽命下降。粗加工使用國產φ40R4立銑刀，進給量一般選擇fz＝0.15～0.20mm/z，半精加工及精加工采用進口刀具，進給量一般選擇fz＝0.10～0.15mm/z，精加工進給量一般選擇fz＝0.03～0.15mm/z。在精加工中主要通過切削速度的提高來彌補每齒進給量的不足，最終達到表面的光整加工。此外，精加工時切削鈦合金材料刀具線速度一般選擇v＝40～60m/min。附表所示為加工中所使用的刀具及相應的切削參數。

實際在粗加工過程中，嚴格限制了軸向切深，每層最大深度10mm，避免因切削深度過大產生過多的切削熱，導致零件變形。此外，切削過程中的切削液一定要充分供給，切屑的清理要及時，否則會對刀具的切削性能產生不利影響，嚴重時會影響到已加工面的表面質量。

圖4 加長刀具擺角銑切路徑

圖5 實際編程過程中毛坯料效果

6.結語

該零件在數字化加工過程中，采用預留工藝凸臺的方法，解決了零件的裝夾和變形問題。采用插銑、淺切等加工策略，解決了零件上的環(huán)形槽銑削問題。而在整個零件的編程過程中，采用清轉角處理法，防止圓角和轉角余量過大帶刀啃傷零件，保證了零件的加工質量。經工藝試驗和批量生產，產品質量穩(wěn)定，效率大幅提高。高效加工工藝的成功實施，為今后類似零件的生產提供了寶貴經驗。

加工刀具選擇及切削參數