右側壁腹板加工方案

趙軍，李思君

中航工業沈飛（集團）有限公司數控加工廠 遼寧沈陽 110034

1 序言

右側壁腹板為側壁主要連接件及承力件之一，具有尺寸大、大角度開閉角數量多、高度跨度大、變角度內形面形狀復雜及模鍛件來料存在余量嚴重不均勻的特點。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合的方式來實現變形小、效率高的加工是本文探討的重點。

2 零件介紹

右側壁腹板是彈艙側壁主要連接腹板之一，形狀復雜、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 右側壁腹板

3 問題分析

根據材料性能、零件工藝結構及來料狀態，分析加工過程中存在的問題，制定合理的解決措施，從而保證該零件能優質高效的加工。

3.1 材料性能

該零件材料為典型α相鈦合金，強度較鋼類高，金屬熔點高，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境下會形成致密氧化膜，防止進一步氧化，對空氣、水和一般酸、堿都有抗腐蝕能力。由于材料的獨特性能，所以在加工過程中，還存在著一些加工難點。

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

（2）強度大、塑性差 刀具前刀面在加工過程中受力過大，容易崩刃。

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

（4）材料活性大 受熱刀具易發生化學反應，產生黏刀現象，損壞刀具和零件。

綜上所述，在鈦合金的加工過程中，應使用小前角、大后角的刀具，刀具材料多為硬質合金，切削量應相對較小，從而減少切削熱量的產生。

3.2 工藝結構

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，來保證內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、動擺角、垂直底面定軸等多種編程方法相結合進行加工。整個零件緣筋高度跨度從22mm到100mm，內形寬度跨度從11mm到100mm，合理選擇刀具、安排工序步驟為提高效率和表面質量的重要手段。

3.3 來料狀態

來料類型為模鍛件，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重，金屬去除率70%，切削工作量相對較大。

3.4 加工過程中的問題

①零件來料無法裝夾，需來料帶工藝凸臺并修整基準平面。②大閉角處內外立銑無法加工到位，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，需要通過變角度銑削、定擺角行切等共同保障。④零件結構復雜，共需6個工位進行加工，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

零件從來料模鍛件到成品，需要經歷反面基準加工→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→常規鏜加工等多個工序。工序的合理安排及每一道工序的加工質量都會影響到整個零件的產品質量，合理選擇每個工步的加工刀具、裝夾定位方式、預留余量及加工方式等都會影響產品質量和加工效率。因此，主要從下述四方面進行分析研究。

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、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長刀、φ40mm短刀、φ20mm長刀、φ20mm短刀、φ16mm長刀、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上提高加工效率和表面質量。

4.2 裝夾定位

針對零件輪廓尺寸較大、關鍵特性尺寸精度要求較高、加工工序數量多等特點，采用兩孔定位可以有效提高加工準確度、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、倒壓板、定制凸臺，加工效率低、成本較高，采用緣條定位，緣條階差大、定位準確性差、特制壓板及墊塊多且加工過程中需多次倒壓板，也存在加工效率低和成本高的缺點。相對而言，采用工藝凸臺定位較為合適，只需特制一組墊塊即可，基準各修一次即可保證多次翻面誤差減小；另外，采用凸臺定位，各工位加工均不受干擾，無需工人來回調整壓板位置，可有效提高工作效率。該零件采用了8個凸臺均布定位方式，其中兩個帶有一組定位孔，滿足了加工需求，提高了加工效率和質量，同時降低了生產成本。

4.3 預留余量

加工過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留余量方案，把零件因定位誤差及冷加工變形誤差而導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，通過凸臺面和兩側凸臺定位孔進行一面兩孔定位，多工位定位基準重合、定位誤差小，多工位加工、應力釋放均勻、冷加工變形小。根據零件存在較多的開閉角及變角度內外形面、雙曲面斜筋條等特點，使用高效高功率的五坐標立式銑床和中低功率、高精度五坐標臥式銑床相結合來進行加工。采用以下方式處理多處難加工結構，旨在使尺寸精度、產品表面質量、加工效率及機床利用率等都能達到最優。

1）來料為模鍛件，開閉角處內外形及中間環形圓柱面余量5～50mm不等，采用等高降層加工，結合淺切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量，減小了切削力和應力集中，同時降低了刀具的磨損和加工成本。

2）粗加工采用φ40mm刀具，加工后轉角余量較大。對于余量寬度不超過10m m的轉角采用φ20mm刀和φ16mm刀順次插銑的方式清理，對于較大余量處采用軸向分層定角度旋轉式銑削，保證后續精加工轉角余量盡可能小，避免因變角度切削量過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（內形相對即為開角）兩側角度分別為26°和35°，沿曲面方向高度為100mm，立式銑床A、B角均為±30°，加工時正面內外形可粗銑→半精銑刀→精銑加工到位，采用貼合型面加工方式，背面內外形采用29°定擺角加工，最大限度去除余量，保證后續臥式加工工作量盡可能小。

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

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形尺寸不足，所以需要通過兩次鉆擴鉸孔來制作。加工時，利用一套鉆模配合多種規格的引導套，先用帶有前后引導各50mm長的鉸刀加工前兩組耳片，再用帶有后引導長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 環形圓柱

圖4 耳片

5 加工容差分配及測量方式

在機械加工中，由于機床誤差、定位誤差及操作誤差等不可避免的原因，實物零件會與設計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使用的條件之一。

檢驗測量過程中，除腹板厚度、緣筋條厚度、與腹板平行的緣筋條高度外，其余尺寸均有數字化測量機進行測量，降低了人工測量的難度和工作量，縮短了零件的生產周期。

6 結束語

通過分析鈦合金右側壁腹板零件的特點，制定出一套高效的加工方案，實現了人工干預少、降低工作成本、提高切削效率及改善表面質量的目標，并總結出加工經驗和參數選擇的方案，為相似零件的加工工藝提供了支持和幫助。