大型鈦合金強力切削五軸機床應(yīng)用與性能分析*

周元莉，劉本剛，倪家強，鎖 聰，劉 樂，白玉珍

(沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110850)

0 引言

鈦合金因其良好的綜合性能被廣泛地應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)部件、起落架、發(fā)動機零部件等，近年來在新型飛機上，鈦合金材料所占的比例已經(jīng)由5%提高到14%以上[1]。然而由于鈦合金化學(xué)親和力大、導(dǎo)熱性差且強度高，采用傳統(tǒng)的加工機床加工效率低[2]。盡管國內(nèi)機床廠商針對飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件的加工研制出了相應(yīng)型號的機床，但是針對大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件的加工機床國內(nèi)尚屬空白。目前，大型鈦合金強力切削機床全部依賴進口，經(jīng)常受到發(fā)達(dá)國家的技術(shù)限制和封鎖[3]。為滿足航空領(lǐng)域關(guān)鍵零件的加工需求與國家安全要求，沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司聯(lián)合北京北一機床股份有限公司共同研制了大型鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件強力切削五軸龍門機床，能夠滿足鈦合金大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效、高精度的加工要求。

1 鈦合金強力切削機床

針對航空鈦合金復(fù)雜梁、框類結(jié)構(gòu)件加工和航空工業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)的需要，通過研究鈦合金復(fù)雜構(gòu)件強力切削工藝系統(tǒng)的動剛度與抑振、精度建模與誤差補償、動靜態(tài)特性與熱分析等關(guān)鍵技術(shù)，研制了適合于航空鈦合金復(fù)雜梁、框類結(jié)構(gòu)件加工的大型、大扭矩、高剛度的五坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控機床，機床結(jié)構(gòu)如圖1所示。研制的五軸機床在沈飛現(xiàn)場完成了安裝與調(diào)試，經(jīng)S試件試切合格后，已投入正式生產(chǎn)，S試件試切效果如圖2所示。

圖1 大型強力切削五軸龍門機床 圖2 S試件試切效果 圖3 鈦合金梁結(jié)構(gòu)示意圖

2 鈦合金強力切削機床應(yīng)用

如圖3所示的鈦梁為某型號飛機大型鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，毛坯狀態(tài)為鈦合金模鍛件。從左側(cè)彎邊處將零件分成兩大部分，分別為“頭部”及“梁身”，頭部又可分為航前和航后兩部分；最深的型腔位于彎邊處內(nèi)形，實際切削需要的下刀深與機床及刀柄尺寸相關(guān)；頭部槽口的寬度及深度均較大，工藝安排是否合理很重要。在生產(chǎn)加工過程中，采用傳統(tǒng)鈦合金加工機床進行加工，需經(jīng)過多次裝夾、多工位加工，加工周期長、效率低。將研制的大型鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件強力切削五軸龍門機床應(yīng)用于該梁的生產(chǎn)加工，在保障鈦梁加工精度的同時，可大幅度縮短加工周期。

2.1 原始工藝方案

鈦梁的傳統(tǒng)加工方案涉及三坐標(biāo)仿形銑床、五坐標(biāo)龍門銑床；采用的刀具主要為淺切快進機夾端銑刀/刀片，整體硬質(zhì)合金刀具。采用傳統(tǒng)鈦合金加工機床對鈦梁進行加工的工藝流程如表1所示。

表1 鈦梁的原數(shù)控加工工藝流程

2.2 改進后加工工藝方案

采用研制的大型鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件強力切削五軸龍門機床對鈦梁進行加工的部分工藝流程如表2所示。

表2 鈦梁的改進后數(shù)控加工工藝流程

2.3 改進前、后的加工工藝方案比較

比較改進前、后的加工工藝流程可知，改進后的鈦梁加工方案簡潔明了、干凈利落，取消了不必要的中間測量工序，同時將重要的中間測量工序合并，并將內(nèi)、外形的半精銑和精銑內(nèi)容合并為一個工序，極大地減少了工位轉(zhuǎn)換和零件周轉(zhuǎn)的準(zhǔn)備和等待時間，加工周期由原來的28天縮短為7天。

3 鈦合金強力切削機床性能分析

為驗證面向航空領(lǐng)域的國產(chǎn)高檔數(shù)控機床的可靠性，借助車間DNC與MES系統(tǒng)對已投入生產(chǎn)的大型鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件強力切削五軸龍門機床的運行情況進行了跟蹤和統(tǒng)計。數(shù)據(jù)采集時間區(qū)間為2020年5月26日～2021年3月10日，期間共報警34次。其中包括工藝問題、機床故障、機床操作使用問題，以及添加清理切削液潤滑油等，除因切削液突然中斷、導(dǎo)軌靜壓油泄漏等問題而報警影響使用外，均能滿足現(xiàn)場實際生產(chǎn)使用要求，所加工的零件能夠按要求交付，各項加工精度指標(biāo)正常，主軸徑向和軸向跳動、各軸反向間隙、各軸垂直度和角度偏置等與交付時的精度一致，機床經(jīng)過長時間運轉(zhuǎn)能夠保持良好的工作狀態(tài)。

4 總結(jié)

在研究大型梁、框等鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工工藝與切削參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，研制的適應(yīng)大型鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工的大扭矩、大擺角強力切削五軸龍門機床，其各項性能指標(biāo)均達(dá)到國際先進機床水平，使國內(nèi)航空工業(yè)大型鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工具有自主保障能力，大幅度縮短了大型鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工周期。