钛合金整体结构件工艺方法及高效切削参数研究

杨金虎 李伟 王聪

中航西安飞机工业集团股份有限公司  陕西西安   710089

【摘 要】 随着航空制造技术的快速发展，越来越多的钛合金材料在飞机上被广泛应用。钛合金强度高，是一种难加工材料，加工难度较大。结合钛合金材料在航空制造技术领域应用的优缺点，以及未来飞机制造发展的趋势，钛合金整体结构件成为大飞机制造中必需的零件。整体结构件的特点是尺寸大、结构复杂、加工变形大、加工周期长等，因此钛合金结构件数控加工的工艺方法及高效切削参数成为航空工业及其它行业制造技术迫切研究的重点。

【关键词】 钛合金 整体结构件 数控加工 工艺方法 高效切削 

一、引言

结合TC系列钛合金整体结构件加工中存在的问题，加工过程中因切削抗力大易产生毛料串动、刀片崩碎、高粘易产生刃口烧蚀、零件表面质量差等现象，且切削线速度仅27m/min，切削参数较小、加工效率低、刀具易损坏、刀具寿命短。高强度、高粘性、高韧性导致切削性能差。加工过程中的让刀现象严重，导致零件整体结构尺寸偏大，尺寸不易控制，零件质量得不到保证。零件加工周期较长，达不到预期生产进度和效率。

二、研究目的

本文以钛合金整体双面框零件为主要研究对象，从零件结构特征分析、工艺方法、刀具参数、工装方案、刀具选型、刀具寿命等方面进行工艺技术研究。针对零件不同加工结构特征，针对不同的刀具，针对性制定不同的加工策略，选用不同的加工刀具和工艺参数。制定不同的质量提升方案，旨在将直径为Ф25mm及以上刀具的切削线速度提高到40m/min，将刀具寿命提高到60min及以上，使其达到高效切削。并且研究钛合金零件制造工艺方案，提升钛合金结构件的整体加工效率和加工稳定性，控制零件变形，保证产品加工质量，缩短生产周期。

三、工艺方法设计及切削参数试验

3.1 对象及设备选取

本次试验对象选取整体双面框零件，该零件材料为钛合金，零件尺寸约为1500×1300×215mm。以研究目标为导向，通过在工艺策划阶段针对性制定加工策略，以及在加工过程中对刀具的不断试验和优化加工方式及参数，探索高强度钛合金结构件的工艺方法和高效切削参数。研究所采用的设备信息见表1。

表1  设备信息

设备名称	设备编号	设备精度	备注
五坐标立式加工中心	/	主轴径向跳动误差：0.3mm/1000mm 主轴对工作台面的垂直度：0.02mm/1000mm	控制系统FANUC15M

3.2 试验用料准备

此试验用料为粗加工完成状态。粗加工后零件耳片槽、筋厚、转角、筋高、腹板等均匀留余量3mm，加工区域按面轮廓度进行控制，粗加工后零件变性翘曲自由状态下0.5mm，粗加工结束后进行去应力退火热处理。

3.3 设计精细化加工工艺流程

依据研究目标，通过分析零件整体结构特征，在试验件评审阶段及工艺策划过程中，制定针对性加工策略，设计精细化加工工艺流程及余量分配，具体工步级流程如下：

第一工位

☆ 修基准，自由状态下修基准，释放变形

第二工位

半精铣槽腔面余量（余量0.5mm）

精铣腹板面

精铣筋高

精铣立筋外侧（五坐标）

精铣端头

半精铣立筋内侧转角（五坐标，余量0.2mm）

精铣立筋内侧（五坐标）

☆修基准（修基准面和基准孔，使两工位基准统一）

第三工位

半精铣槽腔面余量（余量0.5mm）

精铣腹板面

精铣筋高

精铣立筋外侧（五坐标）

精铣端头

半精铣立筋内侧转角（五坐标，余量0.2mm）

精铣立筋内侧（五坐标）

铣腹板减轻孔、铣腹板缺口

铣双耳片

卸工艺连接耳片

3.4 零件程编策略及变形控制

首先，零件在自由状态下修基准，释放变形量，不累计变形，不对零件施加强压力改变其变形。其次，半精加工槽腔、精加工槽腔采取轴向分层的程编策略及加工方式，即所有槽腔结构统一分层铣，按每层切深0.5mm，杜绝单个槽腔余量被一次铣切到位，避免因单个槽腔材料去除量太大而引起应力集中，造成零件不可逆变形。另外，加工外形、内形侧壁时采取径向分层、大切深的程编策略及加工方式，即每次径向切削0.5mm、轴向切深按比刀具刃长小1-2mm设置。此程编策略不仅能均匀去除材料，而且能均匀释放应力，控制零件变形，保证加工质量。而且较大程度提高了加工效率，降低了刀具磨损，提高了刀具使用寿命。典型程编策略如图1所示。

附图1  结构件典型程编策略

3.5 刀具高效切削参数试验

以刀具类型、刀具结构特征为变量，在保证试验零件加工质量的前提下，对试验零件封闭槽腔腹板面的加工、立筋转角的加工、封闭立筋侧壁的加工等不同特征结构进行刀具加工探索试验。

采用快进给机夹刀、整体硬质合金铣刀等刀具分别在半精加工、精加工等进行试验。针对零件不同的结构特征及加工方式，选用相对应的刀具，在加工冷却液充分的条件下，对加工刀具的转速、进给参数进行调整，并统计刀具寿命。通过加工过程中的不断试验及参数统计分析，得到了钛合金整体结构件的高效切削参数，部分刀具切削参数如表2所示。

   表2  高效切削参数

加工部位	加工刀具 选用	转速 r/min	切深 mm	切宽 mm	进给mm/min	线速度m/min	刀具寿命 min
铣槽腔面	Φ25R1.2快进给机夹刀	600	0.5	12	550	47	120
铣槽腔面	Φ25R3整体合金刀	550	0.4	14	260	43	180
铣立筋面	Φ25R5整体合金刀	550	26	0.5	240	43	360

四、总结

对于钛合金材料零件，加工难度较大。通过开展工艺方法策划、程编策略优化及切削参数试验，掌握了钛合金整体结构件的工艺方法及高效切削参数。

研究钛合金材料的加工刀具选型和加工参数的确定，采用密齿整体合金刀和前波纹刀具。通过加工方式优化及刀具参数试验，实现了高线速度切削加工。直径Φ25mm及以上刀具达到了40m/min的切削线速度，加工效率提升了30%，刀具寿命达到了120min及以上。

此次试验研究成果可在其他类型钛合金整体结构件上进行推广和拓展运用，保证零件加工质量，提高加工效率，缩短生产周期，促进航空制造技术的发展。

参考文献

[1] 张春江. 钛合金切削加工技术. 西北工业大学出版社 , 1986

[2] 曹春晓. 我国航空用钛合金面临的21世纪的挑战. 《钛工业进展》 ,1999

[3] 孙杰，李剑峰. 钛合金整体结构件加工关键技术研究. 《山东大学学报（工学版）》,2009

[4] 宋智勇，牟文平，阮超. 高速高效加工—钛合金航空结构件的高效数控加工.  航空制造技术,2009