右側(cè)壁腹板加工方案

趙軍，李思君

中航工業(yè)沈飛（集團(tuán)）有限公司數(shù)控加工廠 遼寧沈陽(yáng) 110034

1 序言

右側(cè)壁腹板為側(cè)壁主要連接件及承力件之一，具有尺寸大、大角度開(kāi)閉角數(shù)量多、高度跨度大、變角度內(nèi)形面形狀復(fù)雜及模鍛件來(lái)料存在余量嚴(yán)重不均勻的特點(diǎn)。如何采用分步分層銑削、淺切、定擺角行切及變角度加工等多種加工技巧相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)變形小、效率高的加工是本文探討的重點(diǎn)。

2 零件介紹

右側(cè)壁腹板是彈艙側(cè)壁主要連接腹板之一，形狀復(fù)雜、變角度雙曲面多且高度跨度較大，存在一定的加工難度。零件為鈦合金模鍛件，外廓尺寸為690mm×500mm×185mm，如圖1所示。

圖1 右側(cè)壁腹板

3 問(wèn)題分析

根據(jù)材料性能、零件工藝結(jié)構(gòu)及來(lái)料狀態(tài)，分析加工過(guò)程中存在的問(wèn)題，制定合理的解決措施，從而保證該零件能優(yōu)質(zhì)高效的加工。

3.1 材料性能

該零件材料為典型α相鈦合金，強(qiáng)度較鋼類高，金屬熔點(diǎn)高，可耐550℃高溫，低溫韌性好。此外，鈦合金還具有較好的抗腐蝕性，材料表面在中低溫環(huán)境下會(huì)形成致密氧化膜，防止進(jìn)一步氧化，對(duì)空氣、水和一般酸、堿都有抗腐蝕能力。由于材料的獨(dú)特性能，所以在加工過(guò)程中，還存在著一些加工難點(diǎn)。

（1）導(dǎo)熱性差 高速加工過(guò)程中切削熱無(wú)法快速傳遞，表面容易形成氧化膜，導(dǎo)致刀具受熱磨損，且機(jī)械磨損成倍增加、壽命降低。

（2）強(qiáng)度大、塑性差 刀具前刀面在加工過(guò)程中受力過(guò)大，容易崩刃。

（3）彈性模量低，變形大 加工后回彈較嚴(yán)重，后刀面與材料接觸面積增加，加快刀具磨損。

（4）材料活性大 受熱刀具易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生黏刀現(xiàn)象，損壞刀具和零件。

綜上所述，在鈦合金的加工過(guò)程中，應(yīng)使用小前角、大后角的刀具，刀具材料多為硬質(zhì)合金，切削量應(yīng)相對(duì)較小，從而減少切削熱量的產(chǎn)生。

3.2 工藝結(jié)構(gòu)

零件外廓尺寸為690mm×500mm×185mm，高度方向尺寸較大；腹板厚度為6.5mm，筋條厚度為3mm、4mm、6mm和12.5mm等多種類型，外形處閉角為35°。加工零件兩面需要兩立銑加工和一臥銑加工，來(lái)保證內(nèi)外兩面全部加工到位。中間圓形輪廓外形多為變角度雙曲面，需要定擺角、動(dòng)擺角、垂直底面定軸等多種編程方法相結(jié)合進(jìn)行加工。整個(gè)零件緣筋高度跨度從22mm到100mm，內(nèi)形寬度跨度從11mm到100mm，合理選擇刀具、安排工序步驟為提高效率和表面質(zhì)量的重要手段。

3.3 來(lái)料狀態(tài)

來(lái)料類型為模鍛件，腹板單邊3mm余量，垂直緣筋條單邊8mm余量，中間大圓與大閉角處外形余量不均情況較為嚴(yán)重，金屬去除率70%，切削工作量相對(duì)較大。

3.4 加工過(guò)程中的問(wèn)題

①零件來(lái)料無(wú)法裝夾，需來(lái)料帶工藝凸臺(tái)并修整基準(zhǔn)平面。②大閉角處內(nèi)外立銑無(wú)法加工到位，需配合臥銑工位加工，保證尺寸合格。③中間大圓均為變角度雙曲面，需要通過(guò)變角度銑削、定擺角行切等共同保障。④零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，共需6個(gè)工位進(jìn)行加工，合理合并工序值得研究。⑤零件有6組2×φ10C9裝配孔需要鉆制，孔軸線位于腹板面以下，加工方法需要考慮。⑥中間裝配軸承處大孔與四周螺紋孔孔位關(guān)系需要特殊注意，保證裝配的合理性。

4 制定加工方案

零件從來(lái)料模鍛件到成品，需要經(jīng)歷反面基準(zhǔn)加工→正面粗加工→反面粗加工及精加工→正面精加工→反面臥式加工→常規(guī)鏜加工等多個(gè)工序。工序的合理安排及每一道工序的加工質(zhì)量都會(huì)影響到整個(gè)零件的產(chǎn)品質(zhì)量，合理選擇每個(gè)工步的加工刀具、裝夾定位方式、預(yù)留余量及加工方式等都會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率。因此，主要從下述四方面進(jìn)行分析研究。

4.1 加工刀具

分析零件尺寸，高度方向和槽寬度方向跨度較大，合理選擇多種直徑和刀長(zhǎng)、下刀深的刀具能夠有效地提高加工效率。此外，加工深槽用長(zhǎng)刀、加工淺槽用短刀可以有效避免讓刀，尺寸精度容易保證。粗銑用大直徑刀、精銑用小直徑刀，可以提高加工表面質(zhì)量，精銑小刀提速可以減少表面加工刀棱，獲得較好的表面粗糙度。該零件主要采用了φ40mm長(zhǎng)刀、φ40mm短刀、φ20mm長(zhǎng)刀、φ20mm短刀、φ16mm長(zhǎng)刀、φ16mm短刀及φ12mm、φ10mm等帶有不同底半徑的多種刀具，在能夠加工出合格零件的基礎(chǔ)上提高加工效率和表面質(zhì)量。

4.2 裝夾定位

針對(duì)零件輪廓尺寸較大、關(guān)鍵特性尺寸精度要求較高、加工工序數(shù)量多等特點(diǎn)，采用兩孔定位可以有效提高加工準(zhǔn)確度、減少多次翻面造成的定位誤差。采用腹板定位需多次修基準(zhǔn)、倒壓板、定制凸臺(tái)，加工效率低、成本較高，采用緣條定位，緣條階差大、定位準(zhǔn)確性差、特制壓板及墊塊多且加工過(guò)程中需多次倒壓板，也存在加工效率低和成本高的缺點(diǎn)。相對(duì)而言，采用工藝凸臺(tái)定位較為合適，只需特制一組墊塊即可，基準(zhǔn)各修一次即可保證多次翻面誤差減?。涣硗?，采用凸臺(tái)定位，各工位加工均不受干擾，無(wú)需工人來(lái)回調(diào)整壓板位置，可有效提高工作效率。該零件采用了8個(gè)凸臺(tái)均布定位方式，其中兩個(gè)帶有一組定位孔，滿足了加工需求，提高了加工效率和質(zhì)量，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。

4.3 預(yù)留余量

加工過(guò)程中存在較多的變角度加工、大角度閉角加工，為保證多工位加工中余量充足，采用粗加工單邊余量2mm，半精加工余量0.5mm，最后精加工到位的預(yù)留余量方案，把零件因定位誤差及冷加工變形誤差而導(dǎo)致零件超差的概率降到最低。

4.4 加工方式

該零件總體采用ABBAB的翻面加工方式，通過(guò)凸臺(tái)面和兩側(cè)凸臺(tái)定位孔進(jìn)行一面兩孔定位，多工位定位基準(zhǔn)重合、定位誤差小，多工位加工、應(yīng)力釋放均勻、冷加工變形小。根據(jù)零件存在較多的開(kāi)閉角及變角度內(nèi)外形面、雙曲面斜筋條等特點(diǎn)，使用高效高功率的五坐標(biāo)立式銑床和中低功率、高精度五坐標(biāo)臥式銑床相結(jié)合來(lái)進(jìn)行加工。采用以下方式處理多處難加工結(jié)構(gòu)，旨在使尺寸精度、產(chǎn)品表面質(zhì)量、加工效率及機(jī)床利用率等都能達(dá)到最優(yōu)。

1）來(lái)料為模鍛件，開(kāi)閉角處內(nèi)外形及中間環(huán)形圓柱面余量5～50mm不等，采用等高降層加工，結(jié)合淺切2mm一層，可使得每次走刀的切削量均勻，有效地提高了加工效率和加工質(zhì)量，減小了切削力和應(yīng)力集中，同時(shí)降低了刀具的磨損和加工成本。

2）粗加工采用φ40mm刀具，加工后轉(zhuǎn)角余量較大。對(duì)于余量寬度不超過(guò)10m m的轉(zhuǎn)角采用φ20mm刀和φ16mm刀順次插銑的方式清理，對(duì)于較大余量處采用軸向分層定角度旋轉(zhuǎn)式銑削，保證后續(xù)精加工轉(zhuǎn)角余量盡可能小，避免因變角度切削量過(guò)大造成刀具折斷或者啃傷零件的情況。

3）如圖2所示，外形處存在較大閉角（內(nèi)形相對(duì)即為開(kāi)角）兩側(cè)角度分別為26°和35°，沿曲面方向高度為100mm，立式銑床A、B角均為±30°，加工時(shí)正面內(nèi)外形可粗銑→半精銑刀→精銑加工到位，采用貼合型面加工方式，背面內(nèi)外形采用29°定擺角加工，最大限度去除余量，保證后續(xù)臥式加工工作量盡可能小。

4）如圖3所示，中間環(huán)形圓柱軸線與腹板面成26°角，理論上可采用五坐標(biāo)立式銑床直接加工到位。但加工過(guò)程中，圓柱外形面需采用變角度進(jìn)行擺角加工，存在急速變角度情況，為保證形面表面質(zhì)量，同時(shí)提高加工效率，粗加工使用動(dòng)擺角徑向分層加工，半精加工采用定擺角、動(dòng)擺角結(jié)合單層加工，精加工采用多次定擺角銜接的加工方案。不同加工方式相結(jié)合，既保證了加工穩(wěn)定性、尺寸精度準(zhǔn)確性，同時(shí)也提高了加工效率、減少了表面由于刀軸變角度所產(chǎn)生的不光滑問(wèn)題。

5）如圖4所示，三組耳片上的裝配孔軸線位于腹板面下方，精度要求φ10C9，單組耳片上孔距要求50±0.1mm。同軸線孔要求盡可能一次加工到位，由于第三組孔距離內(nèi)形尺寸不足，所以需要通過(guò)兩次鉆擴(kuò)鉸孔來(lái)制作。加工時(shí)，利用一套鉆模配合多種規(guī)格的引導(dǎo)套，先用帶有前后引導(dǎo)各50mm長(zhǎng)的鉸刀加工前兩組耳片，再用帶有后引導(dǎo)長(zhǎng)150mm的鉸刀加工第三組耳片，這樣既保證了孔的尺寸精度，又通過(guò)同一工裝、同一工位保證了孔間距和同軸度。

圖2 閉角處

圖3 環(huán)形圓柱

圖4 耳片

5 加工容差分配及測(cè)量方式

在機(jī)械加工中，由于機(jī)床誤差、定位誤差及操作誤差等不可避免的原因，實(shí)物零件會(huì)與設(shè)計(jì)零件在尺寸方面有一定的偏差，所以選擇合理的偏差范圍是保證零件能夠滿足交付及后續(xù)使用的條件之一。

檢驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，除腹板厚度、緣筋條厚度、與腹板平行的緣筋條高度外，其余尺寸均有數(shù)字化測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量，降低了人工測(cè)量的難度和工作量，縮短了零件的生產(chǎn)周期。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析鈦合金右側(cè)壁腹板零件的特點(diǎn)，制定出一套高效的加工方案，實(shí)現(xiàn)了人工干預(yù)少、降低工作成本、提高切削效率及改善表面質(zhì)量的目標(biāo)，并總結(jié)出加工經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)選擇的方案，為相似零件的加工工藝提供了支持和幫助。