某整體結構梁加工方案的優化

孫國雁，張旺，趙軍

航空工業沈飛（集團）有限公司 遼寧沈陽 110034

1 序言

鈦合金因其密度小、比強度高及耐蝕性強等特點，近年來在航空制造業中得到了廣泛的應用。然而在實際加工中，由于鈦合金材料彈性模量小、化學活性高等特點，所以極易造成回彈嚴重、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。

某整體結構梁是某方向舵結構主要承力部件，屬于典型的鈦合金腹板梁類結構零件，雙面槽腔、窄槽、耳片及配合槽口等復雜結構眾多，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，加工周期15天，表面質量差，尺寸精度質量風險高，需合理優化現有加工方案，從而實現優質高效加工。

2 整體結構梁結構及加工中存在的問題

整體結構梁零件外廓尺寸為150m m×180m m×810mm，材料為鈦合金，為典型腹板梁類結構，其局部特殊結構如圖1所示。

圖1 整體結構梁局部特殊結構

該整體結構梁原需三坐標立式銑床、五坐標立式銑床、常規銑床、鉗工和鏜工等共5個工序重復周轉加工，其加工流程為：三坐標立式銑床→五坐標立式銑床→鉗工→三坐標立式銑床→五坐標立式銑床→銑工→鉗工→鏜工。

分析原加工流程及加工后的零件實物，主要存在3方面問題。

（1）加工周期長 加工時間長、周轉多，周期長達15天。

（2）表面質量差 腹板轉角處接刀棱0.3～0.5mm；銑工接刀棱明顯，銑工加工部分與數控接刀棱0.5～1mm。

（3）尺寸精度差 加工窄槽口時刀具崩齒嚴重，經常損壞表面；耳片間距尺寸加工不穩定。

3 問題研究及改進措施

3.1 針對加工周期長的問題

該零件整體加工周期長達15天，詳細分析零件各環節的加工時間（見表1），粗加工時間7天，精加工時間2.5天，周轉等待時間共3.5天，鉗工1天，銑工0.5天，鏜工0.5天，時間主要損耗在粗加工和周轉等待上。

表1 整體結構梁各環節加工時間統計

據此，主要從兩方面制定改進措施。

（1）優化粗加工程序 研究原粗加工程序，其編制應用的毛料為余量5mm的B狀態鍛件，而目前實際加工使用的毛料是改進后的3mm余量的B狀態鍛件，原程序空走刀比例高達40%～50%，而現有鈦合金加工刀具已經更新，原φ63mm規格的可換刀片銑刀進給速度560mm/min已經無法滿足現需求。據此進行如下改進：①對粗加工程序進行優化，重新編制兩面粗加工淺切程序，識別毛料由原5mm余量模鍛件改為現有的3mm余量模鍛件。②優化φ63mm規格可換刀片銑刀的淺切粗加工參數，進給速度由560mm/min提升為1200mm/min，轉速同步更改為950r/min。

檢驗改進后的程序，其運行時間由原來的126h縮減至68.4h，時間縮短極為顯著，效率提升明顯。

（2）優化工序安排，減少周轉 詳細分析加工流程，以規整流程、減少周轉為目標：①目前由于數控加工五坐標設備已非瓶頸設備，故將原三坐標加工程序轉至五坐標設備加工，并將部分粗加工程序重新利用五軸編程，減少空走刀。②將原30工序鉗工中加工的基準孔及倒角加工，轉至20工序五坐標立式銑床加工，新編數控加工程序，加工時間約2h。

梳理后，加工流程明顯縮減，改進后的流程為：五坐標立式銑床→銑工→鉗工→鏜工。

統計改進后的加工周期，約為：1＋1＋2.8＋1.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＝9.3（天），周期縮短近40%，基本滿足了目前該尺寸規格零件的加工周期計劃。

3.2 針對表面質量差的問題

零件表面質量差主要體現在兩個方面：腹板表面質量差和銑工接刀棱明顯。在機械加工過程中，零件加工表面質量對零件配合性能、疲勞性能、磨損性能和使用壽命有很大影響［1］，必須重視并解決。針對這兩個問題，分析其原因并制定解決措施如下。

（1）腹板表面質量差 該整體結構梁屬于典型的槽腔梁類零件，腹板表面是零件表面的主要組成部分，以往數控加工完成后，鉗工需根據腹板切傷處深度打磨整個腹板，以保證腹板表面要求的平面度≤0.1mm，影響了腹板的表面質量和性能。對比實物情況及刀具軌跡，發現所有腹板切傷均是在拐角處產生的，分析原因為拐角處刀軸急停變向產生顫動，導致腹板切傷。為此，提出在拐角處增加圓弧的方案進行改進，改進前后的刀具軌跡如圖2所示，加工后的實物效果對比如圖3所示。

圖2 腹板加工刀具軌跡

圖3 實物效果對比

該方法適用于幾乎所有槽腔零件腹板的精加工，能夠有效避免刀軸急停顫動造成的腹板切傷問題，大幅改善了零件腹板機械加工后的表面質量，實現了腹板數控加工后的零打磨。

（2）銑工接刀棱明顯 分析銑工加工表面與數控加工表面形成接刀棱的主要原因，是因為銑工精度無法達到數控精度級別，為保證零件表面不發生切傷，刻意預留部分余量，所以導致與數控加工表面無法接平，產生較大接刀棱。

常規加工的此項劣勢目前無有效措施可以解決，依據最優解原則，初步計劃將常規加工部分（補銑槽口、切斷全部凸臺兩處工作量）僅保留部分凸臺連接筋切除，其余均轉換為五坐標數控加工。

構建凸臺連接筋，保證其在滿足測量及鏜孔強度要求的情況下，盡量短和薄，優化后，凸臺連接筋如圖4所示，四周全部新編數控程序切削，兩側留綠色較薄連接筋，后續常規銑削，實現了常規加工面積最小，從而減少接刀棱范圍的目標。

圖4 凸臺及其連接筋

槽口位置如圖5所示。數控精銑槽口部分，原槽口因高度尺寸大、槽口距離小，僅能使用現有的φ8mm整體硬質合金刀具加工，因刀具直徑小、剛性差，加工槽口讓刀嚴重，槽口頂部、底部差值超過0.5mm，致使槽口尺寸保證困難。據此，根據槽口尺寸14.1mm特性，申請采用φ13mm的非標銑刀加工槽口。

圖5 槽口位置示意

使用新銑刀加工槽口，刀具剛性顯著提升，數控加工后槽口頂部和根部尺寸差值不超過0.05mm，實現了槽口穩定、高效的數控加工；取消了常規銑削補加工槽口工步，規避了常規加工中槽口形成大量接刀棱的問題。

3.3 針對尺寸精度差的問題

零件尺寸差主要體現在兩個方面：槽口刀具崩齒損壞表面，導致耳片間距尺寸不穩定。尺寸精度要求是設計要求中最為重要的技術條件，理論上穩定批量生產加工零件不允許出現影響尺寸精度要求的元素。針對這兩個問題，分析其造成的原因并制定解決措施如下。

（1）耳片間距尺寸不穩定 通過前述申請采用專用非標刀具，優化數控程序，已經實現了耳片間距尺寸的穩定加工，該問題得以解決。

（2）槽口刀具崩齒損壞表面 原工藝在粗銑中部耳片間距槽口時，使用B1-273（φ16mm銑刀）徑向分層軸向滿刀的加工方式，切削深度43mm，徑向分層間距1mm，進給速度72mm/min，但實際過程中經常出現打刀現象。經分析發現原有加工方式在進出刀過程中加工余量較大，加之軸向滿刀加工，易對切削刃產生較大磨損，從而產生折刀現象，損傷槽口表面。

據此引入圓弧銑切工藝方法，依然采用徑向分層軸向滿刀的加工方式，但自始至終均采用弧形加工軌跡，徑向分層間距0.8mm，進給速度80mm/min。工藝優化前后加工軌跡對比如圖6所示。弧形加工軌跡進出刀相互覆蓋，使刀具加工余量保持均勻，提高了刀具的加工穩定性。雖然因層間距減小而導致加工軌跡增加，但此種加工方法使進給速度提高且無需轉角降速，總體上達到了減小刀具損耗且不增加加工時間的效果，最為重要的是避免了刀具崩齒現象的發生，有效保證了槽口的表面質量。

圖6 工藝優化前后加工軌跡對比

4 工藝實施效果

工藝解決措施全面實施后，取得顯著效果，具體如下所述。

1）加工周期由15天減少至9.3天，周期縮短近40%。

2）腹板表面質量顯著提升，銑工接刀棱消除90%，鉗工打磨工作量減少約70%，大幅提升了零件表面質量。

3）耳片間加工改為數控加工，提升加工穩定性；新的圓弧分層加工工藝方法實現了槽口穩定切削，大幅降低質量風險。

5 結束語

零件的結構工藝分析是指在滿足使用和設計要求的前提下，分析加工制造的可行性和經濟性的過程[2]。圍繞某整體結構梁零件結構進行工藝方案和加工策略的優化，使得零件加工效率和產品質量得到了顯著提升，為后續優質、高效和批量生產加工該零件提供了有力的技術支持和保障。