鈦合金腹（fù）板梁的加工

該文（wén）對某（mǒu）腹（fù）板梁進行結構分析，結合鈦（tài）合金材料性能，製定合（hé）理的加工方案，包括機床夾具、刀具、量具及加工參數等，通過歸納該零（líng）件的數字化製造過程，總結出一套適用於相似件的數字化加工（gōng）方法。

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序 言

鈦合金由於其密度小、比強度高及耐腐（fǔ）蝕性強（qiáng）等（děng）特點（diǎn），近年來已（yǐ）經在國際航空事業中得到了大規模的（de）應用。鈦（tài）合金材料具有熱導率小、彈（dàn）性模量小及化學（xué）活性高等特點，在實際加工中，容易造成切削溫度高、回彈嚴重、刀具壽命短及切削效率低等問題，降低了鈦合金的可（kě）加工性。分析零件結構，鈦合金零件多為薄壁、內外型複雜的（de）零件，毛料去除率一般為80%～90%，去除量較大，因（yīn）此如何合理安排加工方案（àn），從而優質高效（xiào）地加工（gōng）鈦合金零（líng）件，顯得十分重要和必要。

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零（líng）件結構及加工要（yào）求

圖1所示腹板梁零件（jiàn）外廓尺寸為1060mm×420mm×64mm，材料（liào）為鈦（tài）合金。

圖1　腹板（bǎn）梁零件

腹板梁是（shì）某組合腹板的主要焊接承力部件，屬於典型腹板梁類結構，單麵槽腔、正反端（duān）麵均為多個平麵接合而成，為典型的AB麵加工零件。實際加工中（zhōng），毛料為模鍛件，均勻餘量3mm。此外（wài），腹板梁部（bù）分外（wài）形處均需預留焊接餘量，薄壁處尺寸精度要求高，數控加工存在難度。

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工藝分析

在（zài）數字化加工過程中（zhōng），主要需（xū）要考慮材料性能、工藝（yì）方案，其中工藝方（fāng）案（àn）包（bāo）括機床夾具、加工方法（fǎ）、刀具及量具等多方麵因素，要逐一分析各因素中的具體問題，並製定詳細的解決方（fāng）案，才能（néng）保證（zhèng）腹板（bǎn）梁優質高效地加工。

3.1　材料性（xìng）能

該（gāi）零件（jiàn）材料（liào）屬於典型的α鈦合金，熱處（chù）理後硬度和強度都有所增（zēng）大，屬於航空難加工材料。分析材料機械加工性（xìng）能，其劣勢主要（yào）有以下幾方麵。

1）鈦合金導熱係數小、散熱性（xìng）能差，加工過程中溫度高，切屑易產生黏（nián）刀現象（xiàng）。

2）鈦合金比熱小、熱量不易（yì）擴散，加工過程中，刀具局部（bù）位置持續高（gāo）溫，加快了刀具磨損，增大了發生崩齒現象的概率。

3）TA15 M鈦合金在高（gāo）溫環境下，化學穩定性差，400℃以上即可產生致密氧化膜，還與氮、氫等發生反應，增加（jiā）了加工難度。

結合材料主要特點，在實際數控銑加工過程中，采用大前角、小後角刀具，前/後角分別取6°～8°、6°～12°。刀具材料以硬質合金鋼為主，保證（zhèng）切（qiē）屑可以快速脫落、散走熱量，降低了表麵燒傷、氧（yǎng）化及（jí）黏（nián）刀切傷的風險。

3.2　工藝（yì）結構

腹板梁（liáng）在裝配過程中充當梁類承力部（bù）件（jiàn），但實際結構（gòu）更偏向於腹板零件，名稱也由此而（ér）來。腹板梁主要工藝結構特點如下。

1）單麵（miàn）槽腔結（jié）構，另一（yī）麵為多平麵結合的折麵區。

2）腹板厚度存在4mm、3.5mm、3mm及5mm等多（duō）種規格。

3）緣條厚（hòu）度存（cún）在6mm、8mm、10mm、12mm及2.5mm等多種（zhǒng）規格。

4）頭部內形結構尺寸較多，精度要（yào）求（qiú）高。

5）多處腹板麵夾角≠180°，需擺軸加工。

6）毛料為（wéi）模鍛（duàn）件，除孔外其餘均勻餘量3mm，加工容差率低。

通過分析可知，主要加工難（nán）點有（yǒu）4處。

1）腹板、緣條末端薄壁處因缺少連接（jiē）結構，100%讓刀（dāo），薄壁（bì）尺寸難以保（bǎo）證。

2）多處底平麵需要接合，接（jiē）合處需光滑過渡，加工存在難度。

3）頭部（bù）φ140mm孔為（wéi）裝配孔，孔徑及孔位精度要求高，存在熱處理變形的情況，需要解決。

4）毛料均勻餘量3mm，無法預留定位耳片，裝夾定位存（cún）在難度。

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方案論證

為解決上述問（wèn）題，需要從加工刀具、裝夾定位和加（jiā）工流程等方麵入手，保證合理且互相協調。

4.1　加工刀（dāo）具

分析腹板梁結（jié）構可知，該零件高度跨度小，來料餘量小（xiǎo），沒有配合槽口結構，反麵均為平麵接合，正麵存在型腔結構，型腔轉角（jiǎo）90%為R10mm，底角均（jun1）為R5mm，確定各工序使用的刀具見表1。

表（biǎo） 1　各工序使用（yòng）的刀具

4.2　裝夾定位

由於腹板梁零（líng）件來料（liào）為均勻3mm餘量（liàng）的模鍛件，無法使用凸台定位，因（yīn）此（cǐ）確定采用2個φ18mm加強孔及筋條上表麵/下表麵（miàn）的一麵兩孔定位方式（shì），具體流程如圖2所示。

圖 2　一麵兩孔定位具體流程

一麵兩孔定位可保證定位準確，減小累積定位誤差，是保證產品精度的重要一步。

4.3　加（jiā）工方式

該腹板梁屬於典型（xíng）的雙麵腹板類零件，因此采用AB麵的加工（gōng）方式即可，即反麵（miàn）粗加工→反麵精加（jiā）工→正麵粗精加工，具體如下。

1）反麵（miàn）粗銑1mm餘量，半精銑0.5mm餘量（liàng），精銑到位（wèi），保證各平麵表麵粗糙度合格，階差尺寸保證到位。

2）正麵半精銑0.8mm餘量，精銑到位，減少刀路重複次數。由於反（fǎn）麵已經加工到位（wèi），大平麵定位準確性高，所以可直接半精銑、精銑到位。

3）精銑時采用先腹板、後緣條（tiáo）、末筋條的形式，避免了緣條過切、腹板刮傷（shāng）的現象。

針對3.2中（zhōng）的4處加工難（nán）點，製（zhì）定具體的解決（jué）方案如下。

1）針對（duì）末端薄壁處尺寸，由於沒有連接結構，加工過程中薄壁處受刀具軸向力後會發生變形，從而產生讓刀現（xiàn）象（xiàng），導致薄（báo）壁處尺寸無法切削（xuē）到位，且具體偏離數（shù）值無法得到控製，增加刀具（jù）長度補償的話（huà），會造成腹板切傷，工作（zuò）量也成（chéng）倍增加。圖 3為理論上及實際切削時薄壁處外形，其（qí）中虛線部分為理論上切削時薄壁處（chù）外形；實線部分為實際切削時薄壁處外（wài）形。

圖3　理論上及實際切削時（shí）薄壁處外形

針對此情況，采用預留餘量的加（jiā）工方式，即數控（kòng）加工預留（liú）0.5mm餘量，後續常規使用墊塊支撐，加工到位。相比於數控加工，常規裝夾更加靈活，對於薄壁處可以使用自調千斤頂進行（háng）加固，防止了讓刀現象的發生。

2）針對（duì）反（fǎn）麵平麵相接（jiē）處，采用φ10R5硬質合金銑刀底角行切的方式加工到位（wèi），雖然加工周期延長，但保證了（le）相接處的加工精度和表麵質量。

3）針對頭部φ140mm孔熱處理變形的情況，采（cǎi）取預留餘量的方式，即熱處理前加工（gōng）至φ136mm，單邊留2mm餘量，熱處理後對比樣板進行校正，後續補加工（gōng）到位。

4）由於毛（máo）料均勻餘量3mm，無法預留凸台（tái）裝夾，因此（cǐ）隻能利用外形3mm餘量加工壓（yā）點，正（zhèng）反麵加工1/2高度的外形，用於（yú）壓裝壓板，最終（zhōng）外形通過正反兩麵接合加（jiā）工（gōng）到位（見圖4）。該（gāi）方（fāng）法的優點（diǎn）在於，加工時（shí）不需要重複（fù）替換壓板，減少了接刀痕（hén）跡的數量，提高了整體表麵質量，刀路軌跡（jì）清（qīng）晰有條（tiáo）理，同時提高了加（jiā）工效率。

圖（tú）4　外形通過正反兩麵接合加工到位

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加工容差分配及測量方式的選擇

在機械加工（gōng）中，由於機床誤差、定位誤差（chà）及操作誤差等不可避免的原因，實物零（líng）件會與設計（jì）數模（mó）在（zài）尺寸方麵有一定的偏差（chà），選擇合理的偏差範圍是保證零件（jiàn）能（néng）夠（gòu）滿足交付及後續使用的（de）條（tiáo）件之一。零件按照設計要求，腹板厚度極（jí）限（xiàn）偏差為（wéi）mm、緣筋條（tiáo）厚度偏（piān）差為±0.2mm，按照通用（yòng）技術條件（jiàn）要求，外形公（gōng）差為±0.2mm、孔位公（gōng）差為±0.1mm。

由於該（gāi）零件在航空產（chǎn）品中生產數量較多，因此製作了專門用於檢查零件（jiàn）位置和部分尺寸的（de）模（mó）線樣板、反切外樣板，通過樣板可以準確直觀地檢（jiǎn）查零件內外形及孔位，相對於數字化測量，樣板檢查提（tí）高（gāo）了交付效率，縮短了腹板梁的整體生產周期。

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結束語

本文研究探（tàn）討了鈦合金材料的性能（néng）和（hé）加工難點，對常用的刀具特點、加工（gōng）思路進行了分析；探討了腹板梁局部難加工特點，製定並驗證了有（yǒu）針（zhēn）對性的解決（jué）方案；對腹板梁及類似件的完整加工流程進行梳理，總結出加工該零件的詳細方案（àn）。

鈦合（hé）金零件的（de）數字化加工（gōng）現已成為航空（kōng）、航（háng）天、汽車和船舶等行（háng）業的關鍵技術之一，如何優（yōu）質高效（xiào）地加（jiā）工鈦合金零件（jiàn）也成為（wéi）目前機械加工（gōng）行業的主要研究方向。通過（guò）對某（mǒu）腹板梁典型（xíng）零件的加工特征進行分析，製定了詳細的工（gōng）藝方（fāng）案，包（bāo）括裝夾方案，刀具、量具及容差選擇等，為腹板梁按（àn）時高效地交付提供了技術支持（chí），同時（shí）也為類似零件後（hòu）期的工藝準備工作（zuò）提供了充足的（de）技術（shù）儲備。