某鈦合金梁加工變形控制方法研究

■中航工業沈陽飛機工業（集團）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

■中航工業沈陽飛機工業（集團）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重要承力件，結構復雜，機械加工中易變形，變形問題處理很困難，對產品加工效率和質量影響很大。根據鈦合金梁類零件數控加工特點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，結構復雜，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力以及零件結構的不對稱性和加工工藝的不盡完善等因素的影響導致零件變形。零件變形過大無法校正而報廢的現象時有發現，不僅造成重大經濟損失，而且嚴重影響零件交付的生產進度。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際生產中不可避免的現實問題，必須予以解決。

1. 鈦合金梁類零件工藝性分析

某梁零件為結構部分主要受力件，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，零件的毛料狀態為模鍛件。

零件材料為TA15M鈦合金，在切削時產生的熱量大，切削區溫度高，摩擦系數大，導熱性差，化學活性高，親合力強，這樣加工狀況易導致刀具材料過燒和發生氧化從而加速刀具磨損，鈦合金這個特點是影響其機械加工的一個最主要因素。

鈦合金加工過程中刀尖應力大，后刀面熱量高，鈦合金的切削變形系數小（ξ≈1），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，鈦合金的這個特點是其加工刀具選擇和切削用量選擇的重要依據之一。

（1）結構工藝性分析：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定，而且在內形加工時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）零件關鍵部位及尺寸控制：梁類零件最關鍵的技術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鍵控制點。

圖1　某梁零件結構圖（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，工藝系統有關的數控機床、銑切夾具、銑削刀具和零件等都有影響關系，其中影響較大的是零件毛料的初始殘余應力及零件的加工方案。

（1）材料內部殘余應力的影響：零件材料內部的殘余應力是當沒有任何工作載荷作用的情況下，存在于零件內部且在整個零件內保持平衡的應力。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

行，切削層中的殘余應力被逐漸釋放，工件自身的剛度也發生變化，原始的自平衡條件被破壞，工件只有通過變形達到新的平衡狀態。這也是殘余應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展十分迅速，但與世界先進水平差距仍然很大，其中主要原因之一就是零件毛料內部殘余應力過大，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在零件加工裝夾方式上和切削參數選擇上。工件在切削加工過程中，隨著被切削材料的去除，一方面引起工件內部原有殘余應力的釋放和再分布，切削力和切削熱的作用在工件的表層產生新的殘余應力，隨著加工的完成零件的殘余應力重新達到平衡狀態，最終產生加工變形。

不同的切削參數產生的切削力和切削的熱量是不同的，零件加工中相應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生的內應力不同，產生的變形量不同。已加工表面產生的內應力與切削深度大小有關，同時切削力與零件殘余應力及熱應力互相耦合使零件變形控制更復雜，增加切削加工的難度。同時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產生不同的切削效果，影響加工應力的產生及殘余應力的再分布，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及結構特點，考慮到零件的殘余應力及切削變形情況，從工藝系統方面綜合考慮進行工藝方案的制定。

（1）毛料的選擇：設計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，在毛料的側面留4個鍛造凸臺，兩側留2個工藝凸臺，側面工藝凸臺距離約350mm。工藝凸臺規格50mm×50mm×30mm(工藝凸臺根據實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進行修正，減少變形量的影響，這樣零件在粗加工時以釋放殘余應力為主要目的，同時粗加工產生的應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控工藝技術人員的重視，它直接影響刀具、夾具、切削參數的選擇，也是工藝方案的制定上最為關鍵的環節。

圖2　某梁毛料工藝凸臺示意圖

（2）機床的選擇：根據零件的結構和特點，采用的是數控五坐標立式銑床RAMMATIC 1201，加工除裝配導孔所有表面。RAMMATIC 1201機床額定主軸功率為27kW，最高轉速6 000r/min，機床加工剛性好，既可以用于以去除余量及釋放應力為主的粗加工，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，精度要求較高的關鍵性零件，選用專用夾具是非常必要的。專用夾具是根據零件的結構特點專門設計的夾具，具有結構合理、剛性強、裝夾穩定可靠、操作方便、提高安裝精度及裝夾迅速等優點。夾具主要壓緊點與工藝凸臺一致，在工藝凸臺所在位置設立剛性定位支撐點，壓緊安全可靠，這樣既可以保證零件加工時不要竄壓板，同時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）刀具參數的選擇：根據鈦合金梁類零件易變形的加工經驗，在鈦梁粗加工中采用小切深、大進給、快轉速的“大進給”切削方式，“大進給”的切削加工方式對于減少零件加工變形，均化毛料殘余應力非常有效果，相對于普通的大切深、慢進給、低轉速切削方式“大進給”加工效率要高很多。同時“大進

給”切削方式由于切削速度較大，使剪切變形區變窄、剪切角增大，變形系數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量。

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

銑切加工中經常使用的參數：N為轉數（r/min），Fz為每齒進給量（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為進給速度（mm/min），Z為銑刀齒數，Q為金屬切除率（cm3/ min）。它們的換算關系為

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的實驗摸索我們得出的粗加工及精加工切削參數如附表所示。

某梁粗精加工刀具及工藝參數表

4. 結語

經實踐證明，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，零件的結構尺寸特點等，通過零件的工藝性分析，找出零件關鍵尺寸要素，給出合理的數控編程容差，采用合理的加工策略，嚴格控制確保零件的使用性能。通過梁類零件的數字化加工，提高了加工效率，保證了產品的質量。

參考文獻：

[1] 張建中.機械制造工藝學[M].北京：航空工業出版社，2000.42-125.

收稿日期：（20150629）