翼身對接鈦合金緣條變形控制技術(shù)研究

宋毅　惠昕　關(guān)艷英

摘要：對翼身對接鈦合金緣條零件進(jìn)行分析，通過工藝流程、切削參數(shù)、切削方式、裝夾方式等的設(shè)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(guān)鍵詞：鈦合金;薄壁;弱剛性;變形

引言

現(xiàn)代航空產(chǎn)品在機(jī)體和發(fā)動機(jī)材料選擇上廣泛采用高比強(qiáng)度材料——鈦合金，同時采用整體結(jié)構(gòu)以達(dá)到較低的結(jié)構(gòu)重量比，最為典型的是鈦合金整體結(jié)構(gòu)零件。 整體結(jié)構(gòu)件的精密加工技術(shù)與加工過程中的切削力、切削熱、裝夾力、工藝路徑、毛坯內(nèi)應(yīng)力和切削殘余應(yīng)力等因素緊密相關(guān)，并受到零件結(jié)構(gòu)和加工工藝等因素影響，是航空制造業(yè)公認(rèn)的難題。通過本項(xiàng)目的研究，使大型民機(jī)鈦合金零件的機(jī)械加工技術(shù)達(dá)到一個新的水平。

1.零件結(jié)構(gòu)簡介

以C919飛機(jī)上緣條為例，該零件為TC4材料零件，零件結(jié)構(gòu)屬薄壁弱剛性結(jié)構(gòu)，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(cè)筋高達(dá)110mm，無其它支撐結(jié)構(gòu)，零件剖面為“十”字結(jié)構(gòu)。零件毛坯為模鍛件。由于零件的材料和特殊結(jié)構(gòu)，該零件加工易產(chǎn)生回彈、翹曲、震顫等變形。

2.零件變形分析

航空結(jié)構(gòu)件加工變形可分為兩大類：結(jié)構(gòu)局部變形和外形輪廓整體變形。結(jié)構(gòu)局部變形主要出現(xiàn)在切削加工過程中，通常表現(xiàn)為讓刀、局部彎曲等。整體輪廓變形主要表現(xiàn)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(jié)構(gòu)件變形的主要因素包括：

（1）應(yīng)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(nèi)的應(yīng)力分布，產(chǎn)生大量變形能儲存在零件內(nèi)。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(jìn)行切削加工時，會在切削力的作用下發(fā)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(zhì)量問題。

（3）零件結(jié)構(gòu)引起的變形

零件總體輪廓呈弧形懸臂狀態(tài)，在加工過程中及加工后整體結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生彎曲變形;立筋跨度達(dá)3m左右且中間無支撐結(jié)構(gòu)，加工時受力容易出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象，壁厚難以保證且會出現(xiàn)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(chǎn)生變形，加工過程中造成過切，當(dāng)加工完成后零件恢復(fù)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(nèi)應(yīng)力

對于零件應(yīng)力引起的變形，從去除零件內(nèi)殘余應(yīng)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(nèi)應(yīng)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(dá)到應(yīng)力釋放的目的;同時在粗加工、半精加工結(jié)束時分別進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，以消除加工過程中殘余的應(yīng)力。粗加工要盡可能多的去除材料，充分釋放加工應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)精加工余量小而降低零件變形的目的，但同時要保證后續(xù)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(yīng)力。（2）選擇合理刀具及參數(shù)

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(jī)夾式立銑刀，粗銑筋厚采用大切深（15mm/層）慢進(jìn)給（80mm/min）的加工方式，粗銑腹板采用小切深（0.5mm/層）快進(jìn)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)生，從而減少零件的變形。對于零件雙曲薄壁結(jié)構(gòu)，采用大進(jìn)給輕量切削，解決雙曲弱剛性結(jié)構(gòu)局部受力變形及震動問題。

（3）加強(qiáng)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(chǎn)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(yīng)力均勻分布，又能充分利用薄壁的剛性，進(jìn)而達(dá)到減小變形、提高加工效率的目的。對于零件的弧形結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)[1]中理論，先切除內(nèi)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(fā)生回彈，從而導(dǎo)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(tài)下鋁箔墊實(shí)零件與夾具定位面縫隙”的方式裝夾，以減少零件的裝夾應(yīng)力;第二面加工時采用“強(qiáng)壓”的方式使零件型面與夾具定位面貼合，以達(dá)到定位準(zhǔn)確的目的。

4.結(jié)語

翼身對接緣條以其特殊的材料和結(jié)構(gòu)造成了該類零件對變形控制有較為嚴(yán)格的需求，本文通過加工實(shí)例對控制變形的方法進(jìn)行了討論，對一些理論方法進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。但零件變形的原因是復(fù)雜的，往往是多種因素共同作用的結(jié)果。所以，制定方案應(yīng)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(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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