鈦合金腹板梁的加工

趙軍，孫國雁，黃炎

航空工業沈飛（集團）有限公司數控加工廠 遼寧沈陽 110034

1 序言

鈦合金由于密度小、比強度高及耐蝕性強等特點，近年來已經在國際航空事業中得到了大規模的應用。鈦合金材料具有熱導率小、彈性模量小及化學活性高等特點，在實際加工中，容易造成切削溫度高、回彈嚴重、刀具壽命短及切削效率低等問題，降低了鈦合金的可加工性[1]。分析零件結構，鈦合金零件多為薄壁、內外形復雜的零件，毛料去除率一般為80%～90%，去除量較大，因此如何合理安排加工方案，從而優質高效地加工鈦合金零件，顯得十分重要和必要。

2 零件結構及加工要求

圖1所示腹板梁零件的外廓尺寸為1060mm×420mm×64mm，材料為鈦合金。

圖1 腹板梁零件

腹板梁是某組合腹板的主要焊接承力部件，屬于典型腹板梁類結構，單面槽腔、正反端面均為多個平面接合而成，為典型的AB面加工零件。實際加工中，毛料為模鍛件，均勻余量3mm。此外，腹板梁部分外形處均需預留焊接余量，薄壁處尺寸精度要求高，數控加工存在難度。

3 工藝分析

在數字化加工過程中，主要需要考慮材料性能、工藝方案，其中工藝方案包括機床夾具、加工方法、刀具及量具等多方面因素，要逐一分析各因素中的具體問題，并制定詳細的解決方案，才能保證腹板梁優質高效地加工。

3.1 材料性能

該零件材料屬于典型的α鈦合金，熱處理后硬度和強度都有所增大，屬于航空難加工材料。分析材料的機械加工性能，其劣勢主要有以下幾方面。

1）鈦合金導熱系數小、散熱性能差，加工過程中溫度高，切屑易產生粘刀現象。

2）鈦合金比熱小、熱量不易擴散，加工過程中，刀具局部位置持續高溫，加快了刀具磨損，增大了發生崩齒現象的概率。

3）TA15 M鈦合金在高溫環境下，化學穩定性差，400℃以上即可產生致密氧化膜，還與氮、氫等發生反應，增加了加工難度。

結合材料主要特點，在實際數控銑加工過程中，采用大前角、小后角刀具，前/后角分別取6°～8°、6°～12°。刀具材料以硬質合金鋼為主，保證切屑可以快速脫落、帶走熱量，降低了表面燒傷、氧化及粘刀切傷的風險。

3.2 工藝結構

腹板梁在裝配過程中充當梁類承力部件，但實際結構更偏向于腹板零件，名稱也由此而來。腹板梁主要工藝結構特點如下。

1）單面槽腔結構，另一面為多平面結合的折面區。

2）腹板厚度存在4mm、3.5mm、3mm及5mm等多種規格。

3）緣條厚度存在6mm、8mm、10mm、12mm及2.5mm等多種規格。

4）頭部內形結構尺寸較多，精度要求高。

5）多處腹板面夾角≠180°，需擺軸加工。

6）毛料為模鍛件，除孔外其余均勻余量3mm，加工容差率低。

通過分析可知，主要加工難點有4處。

1）腹板、緣條末端薄壁處因缺少連接結構，100%讓刀，薄壁尺寸難以保證。

2）多處底平面需要接合，接合處需光滑過渡，加工存在難度。

3）頭部f140mm孔為裝配孔，孔徑及孔位精度要求高，存在熱處理變形的情況，需要解決。

4）毛料均勻余量3mm，無法預留定位耳片，裝夾定位存在難度。

4 方案論證

為解決上述問題，需要從加工刀具、裝夾定位和加工流程等方面入手，保證合理且互相協調。

4.1 加工刀具

分析腹板梁結構可知，該零件高度跨度小，來料余量小，沒有配合槽口結構，反面均為平面接合，正面存在型腔結構，型腔轉角90%為R10mm，底角均為R5mm，確定各工序使用的刀具見表1。

表1 各工序使用的刀具

4.2 裝夾定位

由于腹板梁零件來料為均勻3mm余量的模鍛件，無法使用凸臺定位，因此確定采用2個f18mm加強孔及筋條上表面/下表面的一面兩孔定位方式，具體流程如圖2所示。

圖2 一面兩孔定位具體流程

一面兩孔定位可保證定位準確，減小累積定位誤差，是保證產品精度的重要一步。

4.3 加工方式

該腹板梁屬于典型的雙面腹板類零件，因此采用AB面的加工方式即可，即反面粗加工→反面精加工→正面粗精加工，具體如下。

1）反面粗銑1mm余量，半精銑0.5mm余量，精銑到位，保證各平面表面粗糙度合格，階差尺寸保證到位。

2）正面半精銑0.8mm余量，精銑到位，減少刀路重復次數。由于反面已經加工到位，大平面定位準確性高，所以可直接半精銑、精銑到位。

3）精銑時采用先腹板、后緣條、末筋條的形式，避免了緣條過切、腹板刮傷的現象。

針對3.2中的4處加工難點，制定具體的解決方案如下。

1）針對末端薄壁處尺寸，由于沒有連接結構，加工過程中薄壁處受刀具軸向力后會發生變形，從而產生讓刀現象，導致薄壁處尺寸無法切削到位，且具體偏離數值無法得到控制，如果增加刀具長度補償，就會造成腹板切傷，工作量將成倍增加。圖3為理論上及實際切削時薄壁處外形，其中虛線部分為理論上切削時薄壁處外形；實線部分為實際切削時薄壁處外形。

圖3 理論上及實際切削時薄壁處外形

針對此情況，采用預留余量的加工方式，即數控加工預留0.5mm余量，后續常規使用墊塊支撐，加工到位。相比于數控加工，常規裝夾更加靈活，對于薄壁處可以使用自調千斤頂進行加固，防止了讓刀現象的發生。

2）針對反面平面相接處，采用f10R5硬質合金銑刀底角行切的方式加工到位，雖然加工周期延長，但保證了相接處的加工精度和表面質量。

3）針對頭部f140mm孔熱處理變形的情況，采取預留余量的方式，即熱處理前加工至f136mm，單邊留2mm余量，熱處理后對比樣板進行校正，后續補加工到位。

4）由于毛料均勻余量3mm，無法預留凸臺裝夾，因此只能利用外形3mm余量加工壓點，正反面加工1/2高度的外形，用于壓裝壓板，最終外形通過正反兩面接合加工到位（見圖4）。該方法的優點在于，加工時不需要重復替換壓板，減少了接刀痕跡的數量，提高了整體表面質量，刀路軌跡清晰、有條理，同時提高了加工效率。

圖4 外形通過正反兩面接合加工到位

5 加工容差分配及測量方式的選擇

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，實物零件會與設計數模在尺寸方面有一定的偏差，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[2]。零件按照設計要求，腹板厚度極限偏差為＋0.3－0.2mm、緣筋條厚度偏差為±0.2mm，按照通用技術條件要求，外形公差為±0.2mm、孔位公差為±0.1mm。

由于該零件在航空產品中生產數量較多，因此制作了專門用于檢查零件位置和部分尺寸的模線樣板、反切外樣板，通過樣板可以準確直觀地檢查零件內外形及孔位，相對于數字化測量，樣板檢查提高了交付效率，縮短了腹板梁的整體生產周期。

6 結束語

本文研究探討了鈦合金材料的性能和加工難點，對常用的刀具特點、加工思路進行了分析；探討了腹板梁局部難加工特點，制定并驗證了有針對性的解決方案；對腹板梁及類似件的完整加工流程進行梳理，總結出加工該零件的詳細方案。

鈦合金零件的數字化加工現已成為航空、航天、汽車和船舶等行業的關鍵技術之一，如何優質高效地加工鈦合金零件已成為目前機械加工行業的主要研究方向。通過對某腹板梁典型零件的加工特征進行分析，制定了詳細的工藝方案，包括裝夾方案，刀具、量具及容差選擇等，為腹板梁按時高效地交付提供了技術支持，同時也為類似零件后期的工藝準備提供了充足的技術儲備。