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[摘要]通過分析某機型鈦合金承重框機械加工中的各個工段以及操作者所反饋的信息，找出了在技術(shù)上制約加工效率的生產(chǎn)因素，在此基礎(chǔ)上對該零件的工藝流程和數(shù)控程序進行了優(yōu)化,從而顯著提高了加工效率。在處理轉(zhuǎn)角加工工藝中，通過多次試驗得到了加工轉(zhuǎn)角的插銑編程方法，該方法解決了在加工轉(zhuǎn)角過程中頻繁出現(xiàn)的折刀問題。通過使用玉米銑刀解決了在加工基準面時由于余量不均引起的刀齒斷裂問題，同時提高了加工效率，為今后類似零件的加工提供了寶貴的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：鈦合金；數(shù)控程序優(yōu)化；插銑；玉米銑刀；切削參數(shù)

鈦合金所具有的強度高、耐腐蝕和密度低的特點很好地滿足了航空航天技術(shù)的要求，因而得到了廣泛的應(yīng)用。鈦合金相對一般合金鋼具有以下優(yōu)點[1-2]：（1）密度小、比強度高。鈦合金的密度大約為4.51g/cm3，為鋼的60%，鈦合金的抗拉強度一般在1100MPa以上，比強度明顯高于鋼。（2）熱強度高。鈦合金的熱穩(wěn)定性好，高溫強度高。工作溫度可達500℃，在300～500℃溫度下，其強度約比鋁合金高10倍。（3）抗腐蝕性好。鈦合金在潮濕大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗腐蝕性優(yōu)于不銹鋼，對點蝕、酸蝕的抵抗力很強。（4）導熱性差。鈦的導熱系數(shù)低，僅為15.25W/(m•K)，約為鐵的1/5，鋁的1/14,同時相比于純鈦，鈦合金的導熱系數(shù)要下降50%。但是，鈦合金材料的切削加工性能很差，其原因是：鈦合金材料的彈性模量小，在切削力作用下容易產(chǎn)生變形，容易造成工件尺寸誤差；導熱性差，造成切削過程散熱性差，切削溫度高，致使刀具材料軟化，加快刀具的磨損；冷硬、黏結(jié)、擴散等現(xiàn)象嚴重，化學活性大，與刀具材料“親和”，增大了切削加工的困難；塑性低、硬度高，切削時刀刃易“崩齒”。針對鈦合金切削加工的困難性，提高鈦合金的加工效率，是制造行業(yè)需要迫切解決的問題[3]。孫明杰[4]采用單因素銑削試驗，總結(jié)了在不同銑削轉(zhuǎn)速、進給速度以及進給量的情況下對普通退火TC4鈦合金、β退火TC4鈦合金以及WQ退火TB6鈦合金加工后的表面的材料微觀組織、加工硬化、表面粗糙度以及表面殘余應(yīng)力的影響。李富長等[5]通過研究鈦合金搖臂的加工工藝，得到了在進行鈦合金銑削加工中的一般解決措施。為解決鈦合金的機械加工工藝性差的問題，對鈦合金的加工引入了一些特殊加工的方法。較為成熟的為電火花加工；另外一種為低溫切削技術(shù)，Machai和Biermann[6]的傳統(tǒng)切削液冷卻和液態(tài)二氧化碳冷卻的車削對比試驗表明，以液態(tài)二氧化碳為冷卻液不僅可以大幅提高刀具壽命，而且可以減少鈦合金加工后的邊緣切削毛刺。此外鈦合金等難加工材料的超聲加工工藝也得到了發(fā)展，Singh等[7]綜述了超聲加工鈦合金的工藝范圍及其特點。本文以某機型鈦合金承力框為研究對象，根據(jù)生產(chǎn)中反饋的信息對其進行工藝改進及參數(shù)優(yōu)化。結(jié)合國外相關(guān)零件的先進加工工藝，合理安排工藝流程，通過采用不同銑削策略及刀具加工軌跡，以達到高效加工的目的，獲得了較好的經(jīng)濟效益，同時具有實際推廣應(yīng)用意義。

1承力框結(jié)構(gòu)特征及存在的加工問題

該鈦合金承力框的鍛件毛坯如圖1所示。該零件是某型飛機后機身重要的鈦合金承力框之一。此零件外緣面為機身理論外緣，是變角度直紋面，內(nèi)緣面為發(fā)動機艙外形。此零件是大型的鈦合金整體框，其鍛件毛坯的加工余量大，材料去除率高，加工周期長，切削效率低，嚴重影響了生產(chǎn)進度。

1.1結(jié)構(gòu)特點

（1）零件結(jié)構(gòu)復雜，工藝性差，加工過程中易產(chǎn)生變形。（2）材料為TA15M，切削加工困難。（3）毛坯至成品的金屬切削量大，鍛件毛坯的重量為100kg，最終成品的重量為11kg，材料去除率達到89%。（4）零件的外形尺寸為1580mm×1200mm×195mm，體積較大，并且存在較深的型腔。（5）加工的精度要求高。

1.2優(yōu)化前的工藝流程及過程中存在的問題

在進行優(yōu)化之前的工藝流程如圖2所示。1.2.1單件工藝周期長由圖2可以看出，無論是在粗加工還是在精加工的過程中，零件都要進行多次裝夾，由于零件尺寸較大，剛度較低，在每次裝夾中的找正過程要耗費大量的機床等待時間。在精加工的過程中，由于多次裝夾而產(chǎn)生基準轉(zhuǎn)換誤差較大，必須對各個半精加工后的外形進行測量，由于測量和加工分離，需要大量的加工現(xiàn)場和測量現(xiàn)場的周轉(zhuǎn)時間，大大降低了加工效率。在實際的加工中，按照該流程加工單個零件的加工周期為15天。1.2.2多槽面精銑內(nèi)形折刀多槽面內(nèi)形采用ϕ30R3刀具精加工腹板和輪廓，在四周輪廓留1mm余量，再用ϕ16R3刀具精加工輪廓。由于刀具較長，折刀現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，加工效率也隨之下降。而且是精加工，嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。一般的加工方法是用大直徑刀具精銑腹板后，用小直徑刀具精加工內(nèi)形側(cè)面和轉(zhuǎn)角。此項零件優(yōu)化前采用傳統(tǒng)的加工方法，用ϕ30R3刀具精加工腹板，側(cè)面留1mm余量，再用ϕ16R3銑刀精加工內(nèi)形側(cè)面。切深為22mm，切寬為1mm，轉(zhuǎn)角處最大切寬為4.3mm。根據(jù)文獻[8],為保證刀具具有足夠的剛度，刀具的直徑大小與被加工特征的深度要滿足一定的關(guān)系，經(jīng)驗式為R<0.2H，在該零件轉(zhuǎn)角加工的過程中，該條件顯然不滿足，同時這種加工方法切削余量大，容易出現(xiàn)折刀問題。1.2.3加工基準平面效率低該鍛件在零件兩側(cè)余量非常大，金屬去除率達到整體去除率的40%以上。在加工這兩個平面時，采用機夾面銑刀加工。受刀具最大切深的限制，要采用分層加工的方法，在加工第1層時，由于鍛件余量不均勻，經(jīng)常出現(xiàn)刀體“研刀”和刀齒斷裂的問題。

2加工工藝優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

通過生產(chǎn)跟蹤及現(xiàn)場試加工，對此零件在生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題進行梳理，針對以上出現(xiàn)的問題，在技術(shù)上采取措施，提高生產(chǎn)效率。最終該零件的單件生產(chǎn)周期縮減到了10天，而且解決了加工轉(zhuǎn)角和基準平面過程中頻繁出現(xiàn)的折刀和刀齒斷裂問題。

2.1優(yōu)化工藝流程

優(yōu)化后的工藝流程如圖3所示。此零件的結(jié)構(gòu)特點為單面槽腔，剖面結(jié)構(gòu)為“U”形。加工時零件存在微小變形，加工內(nèi)外形最好在一次裝夾下完成。這樣有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。而且此零件在固定機床上加工，加工程序已經(jīng)固化，可以將測量外形工序后移到數(shù)控加工結(jié)束，這樣可以減少周轉(zhuǎn)和機床等待時間。優(yōu)化后的零件加工周期僅為10天。

2.2插銑轉(zhuǎn)角

為了解決在加工轉(zhuǎn)角過程中出現(xiàn)的頻繁折刀的問題，試驗了插銑轉(zhuǎn)角的加工方法。用ϕ30R3刀具精加工腹板，側(cè)面仍留1mm余量，再用ϕ16R3銑刀插銑轉(zhuǎn)角。插銑轉(zhuǎn)角有多種編程方式。在優(yōu)化此零件轉(zhuǎn)角程序時嘗試了兩種方法。第一種應(yīng)用鉆孔命令，零件側(cè)面不留余量，轉(zhuǎn)角處直接插銑到位。應(yīng)用這種方式編程，不需要做輔助線，編程工作量相對較少。但是在試切后發(fā)現(xiàn)插銑轉(zhuǎn)角處由于刀具的旋轉(zhuǎn)方向和切削方向相同，零件轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)不同程度的切傷，轉(zhuǎn)角處緣條和筋條有大約0.2mm的接刀痕。零件數(shù)控加工后非常不美觀，零件轉(zhuǎn)角處尺寸接近下偏差。這既影響零件質(zhì)量，又增大鉗工后續(xù)打磨的工作量。此方法編程方式如圖4所示。應(yīng)用ProfileContouring命令，可實現(xiàn)插銑轉(zhuǎn)角的目的。選擇零件輪廓，通過設(shè)定與輪廓的偏置和與檢查面的偏置，實現(xiàn)去除轉(zhuǎn)角余量，解決轉(zhuǎn)角切傷問題。然后對刀具軌跡進行編輯，達到鉆孔的效果。應(yīng)用這種方式編程，雖然不用做輔助元素，但是需要對刀具路徑進行修改，編程的工作量非常大。但是應(yīng)用這種編程方式處理轉(zhuǎn)角后，經(jīng)過試加工，零件在轉(zhuǎn)角處基本看不到接刀痕跡，轉(zhuǎn)角處表面光潔度較高，零件尺寸接近理論值，基本不需鉗工接平就能滿足圖紙要求。編程方式如圖5所示，刀具路徑修改如圖6所示。通過處理轉(zhuǎn)角后，再進行內(nèi)形精加工，切削量均勻，都是1mm，在轉(zhuǎn)角處不需降速處理，通過首件試加工試驗，結(jié)果表明切削速度快，同時大幅減弱了刀具振動，表面粗糙度得到了提高，而且避免了加工轉(zhuǎn)角過程中的多次折刀問題。切削效果非常好。在精加工內(nèi)形時，切削非常輕快，而在未作轉(zhuǎn)角處理前，切削時產(chǎn)生較大振動，表面粗糙度很差，而且多次出現(xiàn)折刀。

2.3內(nèi)形的處理

該零件在優(yōu)化前內(nèi)形的精加工采用傳統(tǒng)的加工方法，通過對國內(nèi)及國外一些制造業(yè)的了解，在精加工時ae一般在0.25～0.5mm之間，而該零件實際的精加工中ae在1mm左右，而且習慣于加工一遍之后，為保證零件尺寸需要進行“光一遍”加工。這種加工過程中的多次走刀大幅降低了加工效率，因而要對其進行優(yōu)化改進。優(yōu)化后，在使用ϕ30R3刀具精銑腹板的同時對側(cè)面也進行精銑，為ϕ16R3刀具的精加工留0.3mm余量。這樣在使用ϕ16R3刀具精加工側(cè)面時，尺寸一次加工合格，無須再進行不必要的“光一遍”加工。

2.4切削參數(shù)優(yōu)化

刀具是鈦合金加工中最重要的因素之一，直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度。在加工鈦合金的過程中，一般采用紅硬性好、導熱性好、抗彎強度高，對鈦合金親和力差的刀具材料。因而，鈦合金加工的刀具材料一般為YG類硬質(zhì)合金。其他較為理想的刀具材料為金剛石和立方氮化硼，另外，涂層刀具以其在加工鈦合金時所具有的高性價比而被廣泛接受。該零件整個加工過程主要采用銑削加工完成，銑削加工中使用的工藝參數(shù)為[3]：Vc為銑削速度（m/min）；Dc為銑刀直徑（mm）；N為銑刀轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）；Fz為每齒進給量（mm/z）；Vf為進給速度（mm/min）；Z為銑刀齒數(shù)；Ae為切削寬度（mm）；Ap為切削深度（mm）。這些參數(shù)中相互關(guān)系為：Vf=Fz×N×Z。通過查閱相關(guān)文獻并結(jié)合實際加工得到的切削優(yōu)化后的參數(shù)見表1。

2.5基準平面的優(yōu)化

加工由于在加工基準平面時加工余量不均勻產(chǎn)生刀體“研刀”和刀齒斷裂問題，在優(yōu)化加工時結(jié)合毛料數(shù)模，將可能產(chǎn)生撞刀的進刀位置逐一調(diào)整，并仔細檢查安全平面，保證進刀高度不會撞到毛坯表面。其次將加工基準平面的刀具改為玉米銑刀，這樣增大了刀具的最大切深，大大提高了零件的加工效率。3結(jié)論在本零件的加工工藝優(yōu)化工作中，采用玉米銑刀進行粗加工，提高了刀具的最大切深，有效防止了采用盤銑刀出現(xiàn)的刀齒斷裂問題，而且提高了加工效率；采用插銑處理進行轉(zhuǎn)角處理，使精加工內(nèi)形時的加工余量均勻，得到較好的加工質(zhì)量；加工多槽內(nèi)形時，預留較小的加工余量，單次走刀即可滿足要求。這些工藝優(yōu)化均大幅提高了加工效率，具有較高的實際應(yīng)用價值。

參考文獻

[1]趙炳楨.切削技術(shù)的進步與制造業(yè)的發(fā)展[J].航空制造技術(shù),2004,47(8):38-41.

[2]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊[M].第2版.北京:中國標準出版社,2002.

[3]陳日曜.金屬切削原理（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005.

[4]孫明杰.多種鈦合金銑削加工工藝研究[D].秦皇島：燕山大學,2012.

[5]李富長，宋祖銘，楊典軍.鈦合金加工工藝技術(shù)研究[J].新技術(shù)新工藝,2010(5):66-69.

[8]王國彪,劉中.鈦合金殼體件數(shù)控加工工藝研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2012(2):34,43.

作者：于鑫 劉勝男 單位：駐沈陽地區(qū)航空軍事代表室