大型鈦合金強力切削五軸機床應用與性能分析*

周元莉，劉本剛，倪家強，鎖 聰，劉 樂，白玉珍

(沈陽飛機工業(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用于飛機結構部件、起落架、發動機零部件等，近年來在新型飛機上，鈦合金材料所占的比例已經由5%提高到14%以上[1]。然而由于鈦合金化學親和力大、導熱性差且強度高，采用傳統的加工機床加工效率低[2]。盡管國內機床廠商針對飛機鈦合金結構件的加工研制出了相應型號的機床，但是針對大型復雜鈦合金結構件的加工機床國內尚屬空白。目前，大型鈦合金強力切削機床全部依賴進口，經常受到發達國家的技術限制和封鎖[3]。為滿足航空領域關鍵零件的加工需求與國家安全要求，沈陽飛機工業(集團)有限公司聯合北京北一機床股份有限公司共同研制了大型鈦合金復雜結構件強力切削五軸龍門機床，能夠滿足鈦合金大型復雜結構件高效、高精度的加工要求。

1 鈦合金強力切削機床

針對航空鈦合金復雜梁、框類結構件加工和航空工業新產品研發的需要，通過研究鈦合金復雜構件強力切削工藝系統的動剛度與抑振、精度建模與誤差補償、動靜態特性與熱分析等關鍵技術，研制了適合于航空鈦合金復雜梁、框類結構件加工的大型、大扭矩、高剛度的五坐標聯動數控機床，機床結構如圖1所示。研制的五軸機床在沈飛現場完成了安裝與調試，經S試件試切合格后，已投入正式生產，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 鈦合金梁結構示意圖

2 鈦合金強力切削機床應用

如圖3所示的鈦梁為某型號飛機大型鈦合金復雜結構件，毛坯狀態為鈦合金模鍛件。從左側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形，實際切削需要的下刀深與機床及刀柄尺寸相關；頭部槽口的寬度及深度均較大，工藝安排是否合理很重要。在生產加工過程中，采用傳統鈦合金加工機床進行加工，需經過多次裝夾、多工位加工，加工周期長、效率低。將研制的大型鈦合金復雜結構件強力切削五軸龍門機床應用于該梁的生產加工，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

鈦梁的傳統加工方案涉及三坐標仿形銑床、五坐標龍門銑床；采用的刀具主要為淺切快進機夾端銑刀/刀片，整體硬質合金刀具。采用傳統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雜結構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、外形的半精銑和精銑內容合并為一個工序，極大地減少了工位轉換和零件周轉的準備和等待時間，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

為驗證面向航空領域的國產高檔數控機床的可靠性，借助車間DNC與MES系統對已投入生產的大型鈦合金復雜結構件強力切削五軸龍門機床的運行情況進行了跟蹤和統計。數據采集時間區間為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、導軌靜壓油泄漏等問題而報警影響使用外，均能滿足現場實際生產使用要求，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，機床經過長時間運轉能夠保持良好的工作狀態。

4 總結

在研究大型梁、框等鈦合金復雜結構件加工工藝與切削參數優化的基礎上，研制的適應大型鈦合金復雜結構件加工的大扭矩、大擺角強力切削五軸龍門機床，其各項性能指標均達到國際先進機床水平，使國內航空工業大型鈦合金復雜結構件加工具有自主保障能力，大幅度縮短了大型鈦合金復雜結構件的加工周期。