箱體類鈦合金零件如何高效數(shù)字化加工？這個問題不再難

摘要：本文選取某一典型鈦合金箱體類零件作為研究對象，通過在實際生產(chǎn)中對此箱體類零件的數(shù)字化加工的研究，摸索出了箱體類鈦合金零件變形量控制技術(shù)和高效數(shù)字化加工方法，為今后其他軍、民用飛機鈦合金材料箱體零件的數(shù)字化加工制造提供了有利的參考依據(jù)。從航空結(jié)構(gòu)件的發(fā)展方向看，整體結(jié)構(gòu)件將逐步成為主流，同時伴隨零件結(jié)構(gòu)的日趨復雜、零件幾何精度的不斷提高，高性能材料得到了大批量的應(yīng)用。鑒于鈦合金材料具有比強度高、熱強度好及耐腐蝕性好等一系列優(yōu)良性能，因此在軍、民機結(jié)構(gòu)件中得到了最為廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)階段最有應(yīng)用前景的材料之一。箱體零件結(jié)構(gòu)有封閉式、半封閉式和開敞式，來料均為模鍛件且余量分布不均。本文選取了一種典型的鈦合金箱體零件，其特點是：型腔內(nèi)轉(zhuǎn)角規(guī)格不等，槽腔較深，配合面尺寸精度高，緣條內(nèi)外表面存在較厚的下陷，箱體內(nèi)壁上分布不同規(guī)格導孔需要鉆制，并且由于該箱體類零件交付俄方后需要焊接成一個整體件，加工過程中需要按俄方工藝數(shù)模制造，所有筋條或緣條端面留有階梯狀余量，需要采用T形刀具進行加工。本文的研究過程中，為鈦合金箱體類零件的數(shù)字化加工制造積累了寶貴經(jīng)驗，這對提高我國機械制造工業(yè)的技術(shù)水平有很大的幫助。1.零件結(jié)構(gòu)特點本文選取的箱體零件為鈦合金模鍛件，結(jié)構(gòu)上屬于半封閉式箱體（見圖1），是某機型前機身封閉式箱體焊接組件（見圖2）中一個最大的分裝件，零件外廓尺寸為480mm×185mm×1000mm，最大下刀深180mm，金屬去除率大，零件加工周期長。該焊接組合件由多個分裝件組成，因為焊接零件一般都要留工藝余量，這往往會給機加工帶來很大的加工難度，把工藝數(shù)模和設(shè)計數(shù)模裝配后進行對比，發(fā)現(xiàn)零件每個焊縫都留有工藝余量，這樣造成零件側(cè)壁存在凹陷的臺階，只有應(yīng)用T形刀才能將側(cè)壁的凹陷加工到位。由于T形刀的加工效率低，加之此分裝件需要應(yīng)用T形刀加工的區(qū)域非常大，這勢必會大大增加零件的加工周期。零件材料為ВТ6ч，國內(nèi)與其相對應(yīng)的牌號為TC4鈦合金，屬于難加工材料，廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)中，其主要特點為：①強度高，其值一般為60～150kg/mm2；而比重低，僅為4.5×10-3g/mm3。②熱強度高，熱穩(wěn)定性好，在300～500℃條件下，其強度比鋁合金高約10倍。③化學活性大，親和性強，在熱加工中，易吸收氫、氧、氮及碳等雜質(zhì)。④工藝性差。因其導熱性差、摩擦系數(shù)大，使得切削加工性差，易變形。⑤抗腐蝕性好，對大氣、海水及其蒸氣以及一些酸、堿、鹽介質(zhì)有較高的抗腐蝕能力。2.加工難點分析本項目具體需要攻克的難點包括：（1）T形刀具的應(yīng)用、加工參數(shù)和加工方法的摸索。箱體類零件因其結(jié)構(gòu)特點，普遍需要多個加工工位、多方向加工，且存在很多難加工部位，這些難加工部位可以應(yīng)用T形刀具加工到位。（2）轉(zhuǎn)角處理。零件的底角、轉(zhuǎn)角規(guī)格不等，深腔槽多規(guī)格轉(zhuǎn)角的加工和處理方法需要進一步驗證。（3）多工位加工技術(shù)研究。箱體零件結(jié)構(gòu)復雜，往往需要多個工位才能保證零件加工到位，而有一些零件尺寸也需要兩個甚至多個工位來保證，工位轉(zhuǎn)換存在誤差累積，這給保證零件尺寸增加了難度。（4）刀具選擇。箱體類零件由于其自身的結(jié)構(gòu)特點，箱體內(nèi)外往往都存在大的下刀深，這需要專用的加工刀具，且加工過程中容易產(chǎn)生振顫和讓刀，難以保證尺寸，需要多次光刀。3.關(guān)鍵技術(shù)本項目突破了如下關(guān)鍵技術(shù)。（1）應(yīng)用T形刀具實現(xiàn)難加工位置的加工。該箱體零件的工藝數(shù)模如圖3所示，可見由于側(cè)壁頂端綠色部分留有焊接余量，與箱體內(nèi)壁存在2mm的階差，所以不僅是箱體內(nèi)側(cè)壁的凹槽處，整個箱體內(nèi)側(cè)壁都需要用T形刀加工。通過在實際生產(chǎn)過程中的摸索，探究出了T形刀具使用的關(guān)鍵技術(shù)：首先是驗證刀具。在刀具使用之前，需要用測量工具測量出刀具的尺寸與設(shè)計尺寸是否相符。刀具的尺寸精準是保證零件尺寸的前提，特別是零件進行精加工之前，應(yīng)該再次對T形刀具的尺寸進行測量；其次是底面留余量分層加工。由于T形刀具沒有底刃，如果加工時底面不留余量，會造成零件與刀具的磨損，甚至損壞刀具，或?qū)α慵斐刹豢赡娴膿p傷。與此同時，在使用T形刀具時，應(yīng)采用分層加工的方式，逐層去除余量；最后，加工過程中T形刀具的刀柄應(yīng)該躲開零件，避免刀具刀柄與零件發(fā)生碰撞，這就需要在CATIA編程和VERICUT仿真過程中嚴格按照刀具尺寸做出刀具模型，然后檢測其在加工過程中刀具和刀柄的位置，保證刀柄能夠避開零件，不與其發(fā)生碰撞。（2）多規(guī)格轉(zhuǎn)角的處理方法。箱體類零件會存在多規(guī)格的轉(zhuǎn)角，且隨著不同槽腔深度的變化，轉(zhuǎn)角的深淺也不盡相同。深槽腔轉(zhuǎn)角對刀具的下刀深有很高的要求，刀具長度太長之后，加工時會產(chǎn)生顫動和讓刀，無法保證轉(zhuǎn)角加工到位。粗銑后的轉(zhuǎn)角若不處理就進行精加工，往往會導致刀具的損壞。針對這一問題，采取了分層清轉(zhuǎn)角和插銑轉(zhuǎn)角的方法解決。首先用短刀將能加工的部分加工到位，再更換長刀對之前短刀加工不到的地方進行分層清轉(zhuǎn)角處理，這里注意分層的層深要兼顧加工效率和加工效果，綜合前一把加工刀具直徑、轉(zhuǎn)角直徑和轉(zhuǎn)角深度考慮，分層清轉(zhuǎn)角如圖4所示。另外一種更為高效的清轉(zhuǎn)角方法是插銑，如圖5所示。插銑是利用刀具的底刃對轉(zhuǎn)角進行銑削，相對于分層的方法來說更為高效，對于轉(zhuǎn)角殘留較大的部位，往往需要插銑多刀，具體插銑幾刀，也是要綜合考慮前一把加工刀具直徑和轉(zhuǎn)角直徑的大小。另外，插銑時刀具的軸向受力較大，不適宜插銑深的轉(zhuǎn)角。因為深的轉(zhuǎn)角插銑需要更長的刀具，而刀具在插銑過程中的受力時間長，受力部位容易向刀具局部集中，進而造成刀具在插銑過程中折斷。所以在深槽腔的轉(zhuǎn)角加工時，往往不應(yīng)用插銑進行轉(zhuǎn)角的處理。轉(zhuǎn)角清理后精銑，可以保證轉(zhuǎn)角數(shù)控加工到位，無需常規(guī)補加工。（3）多工位加工。箱體類零件由于其自身結(jié)構(gòu)的特點，往往都需要多工位加工才能完成零件的制造。圖6所示的箱體類零件需要在四個方向加工，有些尺寸需要在兩個以上工位保證，由于誤差累積，導致厚度公差不容易保證。在加工過程中，要避免多次重新裝夾造成的誤差累積對壁厚尺寸的影響。此零件采用三坐標立式機床加工，通過利用銑夾不同工位的定位實現(xiàn)各個方位的加工。為了減少申請制造專用工裝的時間和成本，嘗試直接在機床上定位。（4）刀具的選擇及切削參數(shù)。該箱體的特點是槽腔很深，且工藝數(shù)模中留有焊接余量，極大地限制了加工中刀具的選擇。選用國產(chǎn)特制刀具，長短刀交替加工。由于受到零件槽腔內(nèi)形面的影響，不宜選擇過大直徑的刀具。粗加工、半精加工和精加工大多數(shù)都選擇的刀具直徑為40mm。由于箱體內(nèi)形深度較深，所以在粗加工內(nèi)形時，刀具選用長短搭配方式進行。淺切削深度時選用短刃長刀具加工，提高刀具的剛性，使得加工線速度盡量提高，進而提高加工效率。切削參數(shù)的選擇需要綜合考慮。對于不同的刀具材料，加工不同的零件材料時，選用的切削參數(shù)不同。另外，對于不同的加工目的，選取的切削參數(shù)也不同，粗加工是為了去除大部分余量，因此，切削參數(shù)要盡可能地選取上限值；精加工為了保證零件的尺寸，則需要選取合適的加工參數(shù)。對于側(cè)刃加工的形式，可以按照等截面積方式換算切削深度與切削寬度。粗加工選取較大的參數(shù)，精加工選取較小的參數(shù)。由于鈦合金材料本身變形系數(shù)小，所以刀具的每齒進給量不宜選擇過大，否則會加劇刀具的磨損，使刀具壽命下降。粗加工每齒進給量一般選擇fz＝0.13～0.20mm/z，半精加工每齒進給量一般選擇fz＝0.10～0.13mm/z，精加工每齒進給量一般選擇fz＝0.06～0.10mm/z。在精加工中主要通過切削速度的提高來彌補每齒進給量的不足，最終達到表面的光整加工。此外，切削鈦合金材料刀具線速度一般選擇vc＝20～60m/min。附表列出了加工中所使用的刀具和相對應(yīng)的切削參數(shù)。實際在粗加工過程中，嚴格限制了軸向切深，每層最大深度10mm，避免因切削深度過大產(chǎn)生過多的切削熱，導致零件變形。此外，切削過程中的切削液一定要充分供給，切屑的清理要及時，否則會對刀具的切削性能產(chǎn)生不利影響，嚴重時會影響到已加工表面的表面質(zhì)量。另外，由于零件側(cè)壁有凹陷的臺階，轉(zhuǎn)角R12mm、凹槽深11mm，T形刀無法加工到位，只有大懸深的硬質(zhì)合金刀具才可以加工到位，所以需要申請加長刀桿，刀桿長度為320mm，如圖7所示。4.結(jié)語通過對以上工藝方案的摸索、制定，得到了一種箱體類鈦合金零件變形量控制技術(shù)和高效數(shù)字化加工方法，該方案已經(jīng)在箱體類零件制造中得到應(yīng)用驗證，運行穩(wěn)定并取得了顯著效果，實現(xiàn)了我國航空制造業(yè)技術(shù)上的突破，其應(yīng)用范圍及實施規(guī)模處于國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平，為今