翼身對接鈦合金緣條變形控制技術研究

宋毅　惠昕　關艷英

摘要：對翼身對接鈦合金緣條零件進行分析，通過工藝流程、切削參數、切削方式、裝夾方式等的設計選擇，解決零件的加工變形問題，從而提高零件裝配精度，保證零件尺寸精度及零件表面粗糙度的要求。

關鍵詞：鈦合金;薄壁;弱剛性;變形

引言

現代航空產品在機體和發動機材料選擇上廣泛采用高比強度材料——鈦合金，同時采用整體結構以達到較低的結構重量比，最為典型的是鈦合金整體結構零件。 整體結構件的精密加工技術與加工過程中的切削力、切削熱、裝夾力、工藝路徑、毛坯內應力和切削殘余應力等因素緊密相關，并受到零件結構和加工工藝等因素影響，是航空制造業公認的難題。通過本項目的研究，使大型民機鈦合金零件的機械加工技術達到一個新的水平。

1.零件結構簡介

以C919飛機上緣條為例，該零件為TC4材料零件，零件結構屬薄壁弱剛性結構，零件腹板為變斜角曲面，厚度漸變。中間立筋壁厚4.5mm左右，單側筋高達110mm，無其它支撐結構，零件剖面為“十”字結構。零件毛坯為模鍛件。由于零件的材料和特殊結構，該零件加工易產生回彈、翹曲、震顫等變形。

2.零件變形分析

航空結構件加工變形可分為兩大類：結構局部變形和外形輪廓整體變形。結構局部變形主要出現在切削加工過程中，通常表現為讓刀、局部彎曲等。整體輪廓變形主要表現為切削加工完成后的整體彎曲、扭曲以及零件放置過程中的伸長或縮短等。影響該結構件變形的主要因素包括：

（1）應力引起的變形

在銑削加工過程中，切削過程的塑性變形和切削熱改變了工件內的應力分布，產生大量變形能儲存在零件內。加工完成后取下零件，變形能釋放出來造成變形。

（2）材料特性引起的變形

鈦合金的彈性模量較小，為117.6GPa左右，約為鋼的一半。因此，鈦合金在進行切削加工時，會在切削力的作用下發生變形，且加工表面的回彈量較大，回彈、變形和振動容易造成零件質量問題。

（3）零件結構引起的變形

零件總體輪廓呈弧形懸臂狀態，在加工過程中及加工后整體結構容易產生彎曲變形;立筋跨度達3m左右且中間無支撐結構，加工時受力容易出現讓刀現象，壁厚難以保證且會出現接刀差。

（4）零件裝夾造成的變形

零件理論外形公差+0.05/-0.3，厚度公差+0.3/-0.1，零件在定位裝夾時，在夾緊力作用下產生變形，加工過程中造成過切，當加工完成后零件恢復彈性變形，造成理論外形、筋位、輪廓等要素的偏差甚至超差。

3.變形控制方案

（1）消除零件內應力

對于零件應力引起的變形，從去除零件內殘余應力入手，增加熱處理工序，同時采用雙面對稱去除余量的方案，最大限度消除零件內應力。零件分為粗、半精、精三個加工階段，通過合理的余量分部及加工順序達到應力釋放的目的;同時在粗加工、半精加工結束時分別進行消除應力熱處理，以消除加工過程中殘余的應力。粗加工要盡可能多的去除材料，充分釋放加工應力，實現精加工余量小而降低零件變形的目的，但同時要保證后續加工具有足夠的剛性支撐和剛性，因此需要合理安排加工順序和余量去除的程度，最大限度消除應力。（2）選擇合理刀具及參數

粗加工及半精加工階段零件工藝余量較大，剛性較好，選用較大直徑刀具可提高加工效率，加工立筋時采用Φ40R5焊齒合金刀具，粗銑腹板采用Φ35R0.2機夾式立銑刀，粗銑筋厚采用大切深（15mm/層）慢進給（80mm/min）的加工方式，粗銑腹板采用小切深（0.5mm/層）快進給（1200mm/min）的加工方式;精加工采用小直徑刀具可減小切削力，減小變形;同時考慮零件理論外形具有一定曲率，精加工立筋及腹板采用Φ25R5硬質合金刀具。材料本身的特性決定了在加工過程中，切削寬度越大刀具與工件接觸的時間就越長，產生的熱量也越多，因此，盡量減小切削寬度，通過增加切削刃長度，加大軸向切深，降低熱量的產生，從而減少零件的變形。對于零件雙曲薄壁結構，采用大進給輕量切削，解決雙曲弱剛性結構局部受力變形及震動問題。

（3）加強零件加工剛性的切削方式

零件中間立筋由于壁厚薄，高度較高，加工中產生讓刀。對此采用“階梯對稱銑削”工藝，該加工工藝不僅可以最大限度地使應力均勻分布，又能充分利用薄壁的剛性，進而達到減小變形、提高加工效率的目的。對于零件的弧形結構，根據文獻[1]中理論，先切除內圈的材料比放在切除外圈余量后切除，變形明顯較小，故選擇零件的凹面作為加工的第一工位。

（4）合理的裝夾方式。

裝夾主要通過裝夾變形和裝夾力影響零件的最終加工變形，裝夾變形的零件在卸出夾具后將發生回彈，從而導致零件超差。該零件正反兩面分別采用兩套銑具，銑具采用與零件型面完全匹配的支撐面定位的方式，從而裝夾時完全貼合，杜絕零件加工時的震顫變形。

裝夾原則：粗加工階段夾緊力要大，防止在大切削力作用過程中零件松動;精加工階段夾緊力要小，防止裝夾變形，此階段在第一面加工時采用“自然狀態下鋁箔墊實零件與夾具定位面縫隙”的方式裝夾，以減少零件的裝夾應力;第二面加工時采用“強壓”的方式使零件型面與夾具定位面貼合，以達到定位準確的目的。

4.結語

翼身對接緣條以其特殊的材料和結構造成了該類零件對變形控制有較為嚴格的需求，本文通過加工實例對控制變形的方法進行了討論，對一些理論方法進行了應用驗證。但零件變形的原因是復雜的，往往是多種因素共同作用的結果。所以，制定方案應充分考慮各方面因素，做到周密，這樣才能更好地保證零件加工質量。

參考文獻

[1]飛機結構件數控加工變形控制研究與仿真? 梅中義，王運巧，范玉青（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100083）

[2]航空整體結構件加工變形控制與校正關鍵技術? 山東大學南校區機械工程學院? 孫杰? 李劍峰 王中秋? 山東大學高效潔凈機械制造教育部重點實驗室? 成都飛機工業（集團）有限責任公司? 宋良煜? 何勇

[3]階梯對稱銑削工藝在薄壁件精密加工中的應用? 武凱1，何寧1，廖文和1，宋良煌2，陳雪梅