超细长钛合金梁的数控加工工艺

图1为超细长钛合金梁类零件。其毛料为模锻件，材料牌号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，最宽处为151mm，最窄处仅为34mm。零件外形为复杂双曲面，双面槽腔，缘条与腹板厚度最小处仅为2mm。尺寸精度及表面质量要求较高。



图1 零件模型

1 确定工艺方案

零件毛料为TA15M自由锻件，锻件残余应力导致了机加过程中零件的变形。零件超长且窄，长宽比范围22.8-101.5。零件结构面多为变角度曲面，所有缘条都为斜面，装夹定位不可靠。缘条和腹板厚度薄，最小处2mm，公差±0.2mm。缘条较高，角度大，最高处96mm。零件的装配关系复杂，在该梁每一个位置都有零件与之装配。表面质量要求高，所有转角及底角粗糙度1.6μm。该零件结构属于工艺性极差的结构类型。在加工中要解决的问题包括：机加过程中变形的控制、装夹定位方式的选择和缩短加工周期。

(1)零件定位方式

超细长钛合金梁在加工过程中，定位方式的选择至关重要。该梁长又细，且为两面槽结构，因此采用缘条定位。由于该零件采用斜缘条直接定位会大幅降低定位面的精度，对零件加工质量影响很大，所以在缘条上设置工艺凸台来进行定位，既可以保证定位基准精度，又可以避免在加工过程中频繁的倒压板工作。工艺凸台的距离应适当，如果太近会增加加工过程中的跳刀频率，加大工艺凸台的去除难度；工艺凸台太远会使定位不稳定，增加零件在机加过程中的变形几率，降低定位准确度。根据该梁的结构特点，采用阶梯工艺凸台，再在梁身上钻两工艺孔联合定位，孔径分别为25H9、12H9，定位稳定可靠。工艺凸台外形如图2所示。



图2 工艺凸台外形

(2)机床设备及工装的选择

超细长钛合金梁长约3.5m，零件头部抬起，并且工装庞大，零件加上工装的高度已超过500mm，所以所用机床的Z向行程必须为700mm左右。通过对现场机床进行考察，选用机床工作台尺寸3500mm×1250mm，摆角范围A±30°、B±30°，机床精度较高，能满足零件加工要求。
超细长钛合金梁加工采用缘条高工艺凸台及梁身基准孔定位方式。头部采用辅助可调支撑，用于头部变形量的校正以及加工中变形量的去除；压板选用Z字形压板，可以有效降低刀具长度，避免机床与工装的干涉，并且提高加工效率，保证零件加工后的表面粗糙度；工装增加校验块的使用，用于加工中程序的验证，以及避免工人由于用错刀具造成的零件超差及废品，提高了产品加工的一次就成功概率。正反面加工各需一套工装。

超细长钛合金梁缘条两侧的导孔接近300个，如采用传统方法，常规加工难度非常大，费时费力，产品质量也不易保证。使用数控机床钻导孔，既省时省力，又能保证产品质量。采用数控钻导孔需工装要求较高。缘条两侧各一套。

(3)确定加工流程

加工流程的合理安排是零件生产研制的重要环节，加工流程的合理与否是导致零件加工变形的重要原因。加工流程的顺序直接决定零件的去量方式、去量大小和去量先后顺序，这些都会影响零件材料的应力释放，以及零件的变形大小、变形方式。合理的加工流程可以大幅降低零件的变形几率。加工流程不仅要考虑零件的变形因素，还要保证零件尺寸精度。

根据超细长钛合金梁的零件特点，制定零件的加工流程：模锻件来料—铣基准面—镗基准孔—粗铣航后面(留7mm余量)—粗铣航前面(留7mm余量)—粗铣航前面(留3mm余量)—粗铣航后面(留3mm余量)—粗铣槽一侧(留3mm余量)—粗铣槽另一侧(留3mm余量)—测量外形及槽口—半精铣外形(留1mm余量)—半精铣航前面(留1mm余量)—半精铣航后面(留1mm余量)—测量外形及交点孔—精铣槽口—精铣外形—测量外形及槽口—精铣航前内形—精铣航后内形—测量孔位等—数控钻缘条导孔—铣工艺凸台—钳工钻筋条导孔—半检—清洗—荧光检验—吹砂—标识—成检—交付。通过多次不断的翻面加工以及去量的逐渐递减，有效消除零件变形，保证产品质量。

(4)刀具的选择及参数的确定

数控加工机床采用冷却液冷却，结合零件的钛合金材料，应以浅切刀具和整体合金直柄立铣刀为主，国产镶齿合金刀具为辅。由于钛合金属于难加工材料，对刀具的质量和性能要求都很高。

依据现有参数库及零件的实际加工情况来确定刀具加工参数。在切削中主要的切削参数有：主轴转速n、切削深度ap、切削宽度ae、每齿进给量fz、刀具齿数Z和进给速度vf，其中vf=nZfz。

钛合金加工刀具的齿数一般是多齿刀具，在加工该零件选用的刀具绝大多数都是4齿刀具。影响刀具加工效率的主要参数是主轴转数(n)和刀具每齿进给量(fz)。表1为参与加工的主要刀具的规格及加工参数。



表1 加工刀具选择及切削参数数值

2 数控程序的编制

根据零件的变形控制、来料状态、零件结构特点、机床特性、刀具特点等，编制数控加工程序。在编制程序时需有效避免一些常见的问题：①避免刀具路径冗余，减少不必要的跳刀；②尽量采取顺铣的走刀方式，保证零件尺寸精度；③针对不同的余量，采取径向以及轴向的分层加工，保证刀具切削余量均匀，降低机床及刀具的损耗；④避免刀具垂直与零件接触；⑤在转角要降低加工速度，普通转角降速值是正常切削的60%，特殊转角(例如工艺凸台内侧筋条转角)降速要达到20%。保证无人工干预的正常切削；⑥精加工前清转角，保证精铣的铣切量均匀；⑦正确计算R退缩值。

程序的走刀方式也可以影响零件的变形，比如浅切、顺铣等都可以大幅降低零件的变形量。浅切加工不仅可以大幅提高金属去除率，更重要的是可以降低切削力、减少加工应力，有利于减小零件加工中的变形，同时还可以降低机床负荷、保护数控机床。浅切使用的专用的加工刀具，该类型刀具加工效率较高，以D20R4刀具为例，进给速度可达1432mm/min，相比普通的刀具粗铣进给速度60mm/min，效率可以高出几倍甚至十几倍。浅切加工特别适合超细长钛合金梁的粗加工。

选用“roughing”命令编制浅切程序，在半精加工和精加工过程中采用径向分层的方式，每层进量0.5，在保证零件精度的前提下，可以大幅降低切削应力，减小零件的变形量。

小结

制定一套合理的工艺方案适用于超细长钛合金梁类零件，通过应力释放、优化切削方式与合理刀具参数等方法有效控制了零件变形，采用工艺凸台定位的方式也起到了很好的定位效果。该方案已通过加工验证，在实际加工中取得了非常好的效果，最终生产出了合格的零件，加工过程稳定，产品质量合格。