懸空窄槽特征小型鈦合金結構精鑄件加工

彭彩霞，俞鴻均，馬 青，張 泉，王成俊

（成都飛機工業（集團）有限責任公司數控加工廠，四川成都 610092）

0 引言

鈦合金比重小，比強度高，抗腐蝕性強，高溫和低溫力學性能良好，具有良好的生物相容性，是一種良好的航空結構材料，常用于飛機結構關鍵部位零件。鈦合金毛坯材料比較昂貴，現代航空制造采用無余量和近無余量加工技術降低鈦合金使用成本，如鍛造、超塑成型和鑄造等。對于某些結構較復雜的零件，采用鑄造技術的成本較低，尤其是精密鑄造技術。但由于缺乏鈦合金精鑄件類零件加工經驗，導致航空制造企業該類零件的加工效率較低，且加工質量不高[1]。

隨著中小結構模鍛及鑄件類零件持續增多，尤其是精鑄件類零件的廣泛應用，在具有懸空窄槽特征的鈦合金精鑄件加工過程中，由于零件本身結構特點以及定位、裝夾、工藝方法等選擇，使該類零件定位與裝夾工裝重復定位次數較多，導致鈦合金精鑄件銑面及鉆孔誤差較大。通過對鈦合金精鑄件類零件銑床銑削加工工藝方案存在的弊端進行分析，提出了針對該類零件加工的精確制造關鍵技術點，并對關鍵技術點進行詳解，通過某型號典型零件滑輪支架應用驗證。

1 具有懸空窄槽特征的鈦合金精鑄類零件加工現狀

飛機鈦合金精鑄件類零件的加工精度直接影響后期部件裝配與系統對接裝配質量，在飛機組件與部件裝配中具有重要作用[2]。該類零件通常為精鑄件，只需進行銑面與鉆孔加工。由于該類零件自身結構特點以及材料特點，加工存在諸多難點，現就零件結構、材料變形等方面詳細闡述。

1.1 零件結構

該類零件為具有懸空窄槽腔特征的鈦合金精鑄件，幾何結構呈支架形，其緣條相對位置尺寸較高，待加工表面相對軸中心對稱，由腹板面以及兩處筋條構成，需要加工的部位包含腹板面以及筋條上12 處端面、筋條上4-Φ4.8 mm 一般導孔和4-Φ9.5H8 mm裝配定位孔，加工面以及孔表面粗糙度要求為Ra 3.2。

1.2 毛坯鑄造精度

該毛坯為精鑄件，加工過程中非加工面與加工面之間的協調關系難保證，加工臺階大，鉗工打磨量大；毛坯的精度差，加工余量不均勻，導致零件在加工過程中易變形。由于毛坯鑄造精度低，導致同一批次的毛坯差異較大，每一件毛坯在加工前需要測量，檢查毛坯余量，調整加工程序的偏移值，導致無法保證加工程序的唯一性。

1.3 材料變形

該零件受鑄件成型后的殘余應力、毛坯熱處理殘余應力以及加工應力分布不均等眾多因素的影響，易變形。零件的結構為半封閉的框架式結構，內部支撐少，處于自由狀態，零件后端面呈敞開結構，無加強工藝性的筋條，結構剛性差，導致加工中變形大。

1.4 加工難點分析

該零件采用鉗工劃線、普銑機床銑面、搖臂鉆床上制孔的加工方案。

（1）加工難點：①零件為精鑄件，幾何尺寸精確度較好，但形位公差差別較大，在加工時，零件基準很難確定；②零件槽腔高，結構不穩定，且槽腔精度要求高，加工時易產生刀具讓刀、零件彈性變形等情況；③零件具有空窄槽腔結構的，具有該類結構的零件裝夾精度要求高，加工過程中，多次出現因裝夾方式不合理導致零件筋條變形、銑傷等問題。

（2）原工藝方案不合理：①工藝基準不合理，原方案通過簡單的鉗工劃線結合銑工加工的方式，并未分析是否需要通過反復找基準來更好地保證零件位置尺寸精確度；②加工方法不合理，在銑工加工過程中，首先修平底面并以底面為基準，采用一刀成型的方式將零件槽腔加工到位，該方式會產生余量累積，常出現筋條銑傷的情況；③零件裝夾方式不合理，原零件銑面及鉆孔時，采用堆棧式拼裝方式，該裝夾方式穩定性較差，導致零件加工過程中出現筋條銑傷，孔內壁表面質量差的情況，原裝夾方法如圖1 所示；④鉆頭使用不合理，原加工方案未考慮到鈦合金材料的難加工特性，采用一般的兩齒麻花鉆頭，最終導致零件孔內表面質量較差，孔位超差。

圖1 原加工方案裝夾方法

（3）參數合理性分析：該零件存在深槽腔、高精度孔，此類結構的加工難度較大，對現場加工參數進行收集分析，并進行試切。待加工件的常規切削線速度≤40 m/min，過渡切削線速度40～100 m/min，高速切削線速度＞120 m/min，加工刀具的切削參數見表1。

表1 切削參數 m/min

（4）結論：零件采用壓板壓緊以及堆棧式拼裝的方法進行定位與夾緊，再進行銑面與制孔加工，加工過程中重復定位次數較多，人工干預多，加工誤差大。該類零件批量較大，價值較高，由于加工誤差導致該類零件的故障率、報廢率較高，無法滿足大批量、短周期制造要求。

2 關鍵技術研究

原方案定位與裝夾方式穩定性差，導致該類零件在加工過程中出現零件變形、彈刀、孔位超差、孔表面質量不好等問題。通過優化加工方法、改變裝夾方式、優化切削參數，提高該類零件制造效率及質量。

2.1 更改裝夾方法

通過對該類零件的PBOM 工藝數模信息讀取，明確零件裝配路線，從而確定零件定位基準，在此基礎上設計專用工裝，工裝總體布局主要由工裝基座、可調節螺釘以及墊塊三部分組成，這三部分相互組合式連接，組合多個模塊化機構，可針對零件隨時調節與夾緊[3]。可調節螺釘與墊塊設計是工裝的核心單元，改變工裝主要的定位與夾緊方式，提高零件裝夾的穩定性與靈活性，解決了零件緣條高、剛性差以及定位基準不確定的問題。工裝結構設計方案如圖2 所示。

圖2 工裝結構設計方案

2.2 優化加工流程

改進機械加工工藝方案、優化加工流程，針對加工方法不合理、基準為毛坯面無法精確定位的情況，考慮采用先初找基準，再半精加工（留1 mm 余量）零件槽腔、凸臺面以及端面，然后再以零件槽腔為基準，加工其他元素到位，該方法起到了反復定位，互為基準的作用，為保證零件的尺寸以及形位公差具有重要意義。

2.3 重新定制專用鉆頭

原方案使用兩齒鉆頭，每齒切削量過大，直接導致零件孔內表面粗糙度質量差。現改用六齒用于鈦合金加工的鉆頭并配合專用擴孔鉆以及專用鉸刀完成4-Φ9.5 mm 孔、2-Φ4.8 mm 孔的加工，采用該方法以期達到均勻余量，提升零件可加工性，保證零件孔位以及孔內壁表面粗糙度。

2.4 切削刀具及參數優化

零件在加工過程受局部材料去除率較高以及毛坯余量不均勻的影響，易在殘余應力釋放以及切削力、熱的作用下產生變形：①刀具越鋒利，參與切削時產生的切削力、切削熱越小，零件的變形也越小，反之零件的變形就越大；②刀具切削過程中每層切深越小，產生的切削力、熱也越小，且材料殘余應力的釋放越均勻，因此零件的變形越小，反之零件的變形就越大。因此，應當選擇刃口最鋒利的刀具，并采用較大前角的刀具，同時降低切削深度進行小切深分層加工，有利于控制變形。

3 實際加工驗證以及效果評價

按照“提出問題—工藝試驗—加工驗證—形成標準—推廣應用—提出問題”的模式開展該類零件的工藝試驗、加工驗證工作，根據收集到的問題及分析的原因開展工藝試驗、加工驗證，并最終將取得的成果總結提煉從而實現推廣應用。針對當前該類零件的加工使用百分表打表、兩次裝夾完成銑面與鉆孔加工，通過方案論證與優化設計了一種簡易式快速組合工裝用于凸臺面加工，以及一種專用鉆模用于零件鉆孔，且這兩套工裝通用性較強，可用于該機型大部分支架類零件加工，不僅可以提高加工效率，還能降低加工成本。通過對該類零件加工方案進行研究，采取改進切削參數、優化加工方案、新訂專用刀具等方法，最終達到了降低零件故障率、提高零件合格率的目的。

針對現場零件加工收集到的問題，選定35 項具有懸空窄槽特征的鈦合金精鑄件零件進行工藝改進后的加工實驗，加工時間由原來銑面30 min 轉變為現在銑面時間10 min，制孔時間由原15 min 變為現在5 min。減少加工工步，減少周轉時間，改良裝夾方法，從而節約裝夾準備時間，提高效率，達到該類零件的加工方式改進與優化，從而提高表面質量、見到成效的目的。

4 結束語

隨著飛機數字化制造技術的不斷進步，傳統的壓板壓緊方式以及拼裝裝夾方式已不能適應具有懸空窄槽特征的鈦合金精鑄件類零件的快速與精確加工。對該類零件加工的關鍵技術進行了研究，取得以下效果：①采用互為基準的加工方法，從根本上解決了毛坯零件無基準或基準面不精確的問題，保證零件槽腔內形的寬度尺寸；②解決銑工加工零件端面以及槽腔內形問題時，自主設計并制造了一體式可調節裝夾工裝，該工裝不僅僅可以用于普通銑床加工，也可用于數控機床，具有一定的通用性；③針對鑄造類零件共用的基準不一致，四周幾乎為毛坯面的問題，專用鉆模采用可調節的方式，讓該鉆模具有更高的通用性；④針對該類零件具有的典型懸空的槽腔特征，在專用鉆模上設計了專用墊塊，起到了很好的支撐作用，從而解決了在鉆孔過程中出現的零件筋條變形，導致零件孔位超差的問題。