引言

鈦合金因其高強(qiáng)度､高硬度､低密度以及良好的綜合性能，在航空工程中被廣泛使用｡然而，鈦合金零件的彈性模量相對較低，例如 TC4 的彈性模量僅為普通鋼的一半，這導(dǎo)致在加工過程中零件容易發(fā)生彈性變形，從而影響加工質(zhì)量 [1]｡鈦合金的導(dǎo)熱性差､塑性低､硬度高，這些特性使得其加工難度較大｡在粗加工階段，材料去除率較低，而在精加工階段，高速切削難以實(shí)現(xiàn)，這些都限制了加工效率｡因此，在鈦合金零件的加工過程中，合理安排加工流程､規(guī)劃刀具軌跡以保持加工剛性，以及合理選擇切削刀具和切削參數(shù)，對于提高鈦合金零件的加工效率至關(guān)重要 [2-4]

目前針對鈦合金框的加工技術(shù)研究雖相對較少，但在大型單面框零件加工技術(shù)方面仍取得了一些有價(jià)值的成果｡在刀具材料的研發(fā)上，新型硬質(zhì)合金刀具與涂層技術(shù)的結(jié)合，顯著提升了刀具的耐磨性和耐熱性，能更好地適應(yīng)鈦合金的加工特性｡例如，通過在硬質(zhì)合金刀具表面涂覆多層高性能涂層，如 TiAlN 等，有效減少了刀具與鈦合金之間的摩擦和磨損，延長了刀具壽命，間接提高了加工效率 [4]｡在加工工藝優(yōu)化方面，采用多軸聯(lián)動加工技術(shù)，能夠在一次裝夾中完成多個(gè)復(fù)雜面的加工，減少了裝夾次數(shù)和定位誤差，大大提高了加工精度和效率｡同時(shí)，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助制造 (CAM) 軟件進(jìn)行刀具軌跡規(guī)劃和加工過程仿真，提前預(yù)測加工過程中可能出現(xiàn)的問題，如干涉､碰撞等，并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保加工過程的平穩(wěn)性和可靠性 [6]｡此外，對于切削參數(shù)的優(yōu)化，一些研究通過建立鈦合金切削過程的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)際加工試驗(yàn)，確定了針對不同加工階段的最佳切削速度､進(jìn)給量和切削深度組合，使得材料去除率在粗加工階段得到有效提升，精加工階段的加工質(zhì)量也得到更好保障，為大型鈦合金單面框零件的高效高精度加工提供了有力支撐 [7]

本文以某機(jī)型大型單面框的加工優(yōu)化為例，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探究：在加工流程安排上，需要考慮如何通過合理的工序劃分､加工順序安排和增強(qiáng)工藝系統(tǒng)剛性來減少加工變形，提高加工精度｡例如，可以采用分段加工､分層去除材料､增加壓緊點(diǎn)等方式，以增強(qiáng)系統(tǒng)剛性，減少單次加工的切削力，從而降低零件的彈性變形｡在刀具軌跡規(guī)劃方面，需要利用先進(jìn)的 CAM 軟件進(jìn)行仿真，以確保刀具路徑的合理性，避免不必要的空走刀和重復(fù)加工，減少加工時(shí)間｡同時(shí)，合理的刀具軌跡規(guī)劃可以有效分散切削力，減少加工過程中的振動，提高加工表面質(zhì)量 [8]｡在刀具選型和加工參數(shù)選擇方面，在粗加工階段，需要根據(jù)零件的具體結(jié)構(gòu)，選擇合適直徑的刀具，采用高速切削策略來進(jìn)行加工｡例如，根據(jù)零件的加工特點(diǎn)，采用大徑和小徑刀具配合加工的方式，可以有效地提高加工效率｡在精加工階段，將傳統(tǒng)的軸向分層加工轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蚍謱蛹庸ぃ�確保零件尺寸精度和表面光潔度｡

通過對加工流程的合理安排､刀具軌跡的精細(xì)規(guī)劃､刀具選型的科學(xué)決策以及切削參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置，可以有效提升鈦合金大型單面框零件的加工效率和加工質(zhì)量，滿足航空領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芰慵�的需求，為鈦合金單面框類零件的加工提供工藝�?yōu)化和加工提效思路｡

1、零件簡介

鈦合金大型單面框零件是航空工程中一種重要的結(jié)構(gòu)件，具有尺寸大､形狀復(fù)雜､精度要求高等特點(diǎn)｡該零件通常由鈦合金材料制成，具有高強(qiáng)度､高硬度和良好的耐腐蝕性，能夠滿足航空領(lǐng)域?qū)α慵�性能的高要�?#65377;然而，由于其尺寸較大，且形狀復(fù)雜，加工難度較大，對加工技術(shù)和設(shè)備的要求也較高 [9]

零件材料 TC4, 毛料尺寸 2900mm×600mm×65mm, 零件凈尺寸 2764mm×483mm×50mm, 材料去除率達(dá) 96.5%｡零件一面為槽腔，另一面除一處下陷都為平面，基本等同于單面零件｡零件腹板厚度為 2mm､2.5mm､3mm､4mm 等，其中 2~3mm 腹板占總面積的 80% 以上；端頭懸臂立筋筋厚 4mm､筋高 47mm｡零件結(jié)構(gòu)示意如圖 1 所示｡

2、總體流程的優(yōu)化

在原始的加工流程中，鈦合金大型單面框零件的加工存在諸多不足，如加工效率低下､質(zhì)量不穩(wěn)定等問題｡為了解決這些問題，本研究對加工流程進(jìn)行了全面的優(yōu)化｡

2.1 優(yōu)化前工藝流程

在熱處理工序完成后，對工件的上下基準(zhǔn)面進(jìn)行加工時(shí)，需反復(fù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作｡鑒于工件的尺寸龐大､重量較重，翻轉(zhuǎn)過程存在一定的困難，且裝夾過程繁瑣，這將導(dǎo)致設(shè)備的無效占用時(shí)間增加｡鑒于工件的基準(zhǔn)面僅存在一處輕微下陷，且該下陷對槽腔面的影響較小，故可選擇僅銑削一側(cè)的基準(zhǔn)面以滿足加工要求 [10]｡

2.2 完善后的加工流程

經(jīng)過優(yōu)化后，減少了工件翻轉(zhuǎn)與夾緊的頻次，顯著降低了設(shè)備的非生產(chǎn)性占用時(shí)間，同時(shí)減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度，并且有效提升了機(jī)床的使用效率｡

3、粗加工的優(yōu)化

粗加工階段是迅速去除原材料多余部分的關(guān)鍵過程，其優(yōu)化的核心在于，在全面考量精加工策略的基礎(chǔ)上，最大限度地提升加工速率｡當(dāng)前的加工方案耗時(shí) 11 天，周期顯得過于冗長，經(jīng)過優(yōu)化后，預(yù)期可節(jié)省 40% 的時(shí)間｡

3.1 粗加工加工內(nèi)容的優(yōu)化

原方案粗加工完的效果圖如圖 4 所示｡

在粗加工階段，未對筋高進(jìn)行完全加工，其優(yōu)勢體現(xiàn)在熱處理后銑削基準(zhǔn)面時(shí)提供了良好的支撐作用｡然而，其缺陷在于精加工時(shí)預(yù)留的余量過大，且在單獨(dú)加工筋高時(shí)，由于斷續(xù)加工導(dǎo)致的振動較大，這不僅降低了加工效率，還加劇了刀具的磨損｡因此，在粗加工階段，建議對部分筋高進(jìn)行加工，特別是對于需要采用行切方式加工的斜筋高｡

優(yōu)化后粗加工完的效果圖如圖 5 所示｡

粗加工時(shí)將部分筋高余量去除，其余筋高不加工，以便熱處理后銑基準(zhǔn)面時(shí)起支撐作用｡零件端頭腹板處矩形減輕孔處留工藝凸臺，精加工槽腔面時(shí)在此處增加工藝凸臺，增加一處壓緊點(diǎn)，以降低震顫｡加工內(nèi)容的優(yōu)化更多的是為精加工考慮，更容易保證精加工質(zhì)量，使得更改后方案材料去除量較更改前更大，為減少加工時(shí)間，需著重在刀具選型､參數(shù)設(shè)置和軌跡方面進(jìn)行優(yōu)化 [11]｡

3.2 刀具選型及切削參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化前使用刀具及切削參數(shù)如表 1 所示｡

表 1 優(yōu)化前刀具及切削參數(shù)

刀具	切寬 aₚ/mm	切深 aₑ/mm	線速度 Vf/(m/min)	每齒進(jìn)給量 f_z/mm	程序仿真總時(shí)間 /h
快進(jìn)給 ϕ40R1	28	1	37	0.6	52.8
方肩機(jī)夾刀	32	1	40	0.18	26.6

采用 ϕ40R1 徑向進(jìn)給刀具進(jìn)行余量排屑，鑒于工件面積較大以及部分槽腔空間寬敞，優(yōu)化策略應(yīng)首先考慮將大徑和小徑刀具的使用進(jìn)行分離｡當(dāng)前的切削參數(shù)設(shè)定較為保守，因此，建議適當(dāng)提升切削參數(shù)以提高加工效率｡

優(yōu)化后使用的刀具及切削參數(shù)如表 2 所示｡

表 2 優(yōu)化后刀具及切削參數(shù)

刀具	切寬 aₚ/mm	切深 aₑ/mm	線速度 Vf/(m/min)	每齒進(jìn)給量 f_z/mm	程序仿真總時(shí)間 /h
快進(jìn)給 ϕ63R1	40	0.6	50	0.8	20
快進(jìn)給 ϕ40R1	28	0.6	50	0.8	7
方肩機(jī)夾刀 ϕ32R3	18	2	40	0.18	1.5

在 ϕ35R1 快速進(jìn)給刀具用于加工封閉型槽時(shí)，由于采用單層刀具路徑，導(dǎo)致排屑不暢，同時(shí)不利于冷卻液的流通｡此外，該刀具的線速度和每齒進(jìn)給量相對較低｡相比之下，其他刀具在更高的切削參數(shù)下進(jìn)行作業(yè)｡特別是 ϕ63R1 快速進(jìn)給刀具，在總加工時(shí)間中占據(jù)了超過 62% 的比例，承擔(dān)了大部分材料的去除工作，顯著提高了加工效率｡

3.3 刀具軌跡優(yōu)化

刀具路徑的規(guī)劃應(yīng)當(dāng)追求簡潔性與高效性，并需深入考量刀具的切削性能以及加工環(huán)境對刀具所產(chǎn)生的影響｡

以粗加工小槽腔余量為例，初始的刀具路徑設(shè)計(jì)為四層刀路，沿軸向逐層退刀和進(jìn)刀，導(dǎo)致加工效率低下｡此外，由于刀具的斷續(xù)切削模式，刀具磨損問題加劇｡經(jīng)過優(yōu)化，新的刀具路徑采用螺旋銑削技術(shù)，僅需兩層徑向刀路，實(shí)現(xiàn)了刀具的連續(xù)切削｡這種改進(jìn)不僅提高了加工效率，而且使刀具的切削性能得到了充分的發(fā)揮｡

以卸料為例，原方案由于未加工筋高，卸料需加工槽深 55mm, 排屑不利，為避免夾屑造成刀具損壞，徑向分兩層刀路｡優(yōu)化后方案由于筋高已加工，槽深 20mm, 排屑順暢，沒有刀具損壞風(fēng)險(xiǎn)，因此選用單層刀路，加工時(shí)間減少一半｡

優(yōu)化后粗加工時(shí)間縮短到 6d, 達(dá)到了既定時(shí)間縮短 40% 的目標(biāo)｡

4、精加工的優(yōu)化

在提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，優(yōu)化精加工過程的核心目標(biāo)是提高加工效率｡當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)主要包括加工過程中腹板的顯著振動､尺寸精度難以控制以及表面光潔度不佳；由于零件變形導(dǎo)致腹板加工時(shí)余量分布不均，通常需要多次加工以確保精度，從而降低了加工效率；在加工筋高時(shí)，振動加劇和刀具磨損嚴(yán)重｡在優(yōu)化前，精加工周期為 10 天，優(yōu)化后預(yù)計(jì)可節(jié)省 40% 的時(shí)間｡

對于單面加工零件，由于材料去除和應(yīng)力分布的不均勻性，導(dǎo)致變形量較大｡熱處理去應(yīng)力退火后，零件的最終狀態(tài)存在不確定性｡為確保精加工腹板時(shí)余量充足，避免因變形量過大而導(dǎo)致腹板加工超差，銑基準(zhǔn)面時(shí)要求全面見光｡因此，在翻面加工腹板時(shí)，腹板各處的余量根據(jù)零件變形量的不同而有所差異，并非完全依據(jù)粗加工預(yù)留的余量狀態(tài)，余量分布不均，導(dǎo)致腹板程序需多次執(zhí)行，嚴(yán)重影響加工效率｡

為解決上述問題，本研究采用快進(jìn)給刀具編制軸向單層刀路程序｡工人可根據(jù)零件變形量和銑基準(zhǔn)面時(shí)的切削量來決定程序執(zhí)行的次數(shù)，目的是將腹板加工至粗加工后的理論狀態(tài)｡采用快進(jìn)給軸向單層刀路程序，每次耗時(shí) 20min, 按最大變形量 3mm 計(jì)算，最多執(zhí)行 3 次程序，耗時(shí) 60min 即可達(dá)到理論狀態(tài)，總耗時(shí) 1h, 相較于原半精加工腹板程序的 8h, 節(jié)省了 7h｡

針對腹板厚度小､面積大､加工時(shí)易產(chǎn)生振顫､尺寸精度難以保證的問題，在腹板減輕孔處設(shè)置工藝臺，如圖 11 所示，有效減少了振顫｡在精加工腹板時(shí)，刀路從中心向四周排布，并加密刀間距，有效改善了腹板尺寸的精度｡原加工方案在精加工筋厚時(shí)采用軸向分層的切削方式，不僅加工效率低，而且未能充分利用整體硬質(zhì)合金刀具的切削刃｡優(yōu)化方案采用徑向分層方式，充分利用切削刃長度，提高刀具利用率的同時(shí)也提升了加工效率｡此外，由于立筋壁厚一次形成，表面無接刀差，光潔度得到顯著提升｡

優(yōu)化后精加工時(shí)間為 6d, 達(dá)到了既定時(shí)間縮短 40% 的目標(biāo)｡

5、結(jié)束語

在對鈦合金大型單面框零件的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，本文旨在探討鈦合金大型單面框的加工技術(shù)，并得出以下結(jié)論｡

在粗加工階段：首先，針對不同加工部位，應(yīng)優(yōu)先選擇直徑較大的刀具，并實(shí)施高速切削策略，以提升材料的去除效率；其次，鑒于鈦合金較差的導(dǎo)熱性能，深槽腔加工過程中需充分考慮排屑和冷卻問題，避免采用單層刀路進(jìn)行深度滿刀加工，以防刀具過熱導(dǎo)致劇烈磨損；最后，減少無效刀路的使用，以提高加工效率｡

在精加工階段：首先，應(yīng)合理規(guī)劃工藝流程，確保在零件各加工部位的剛性達(dá)到最佳狀態(tài)時(shí)進(jìn)行加工；其次，適當(dāng)增加壓緊點(diǎn)以增強(qiáng)工藝系統(tǒng)的剛性，減少震顫，確保零件尺寸精度和表面光潔度；第三，針對筋厚部分的加工，應(yīng)充分利用刀具的切削刃，將傳統(tǒng)的軸向分層加工轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蚍謱蛹庸ぃ蛔詈螅�精加工前�?yīng)先處理轉(zhuǎn)角部位，以避免余量突增導(dǎo)致刀具損傷｡

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作者簡介

洪培強(qiáng) (1987-), 男，福建廈門人，工程師，主要從事航空行業(yè)刀具制造與零部件的加工工藝研究｡

（注，原文標(biāo)題：鈦合金大型單面框零件加工技術(shù)研究）

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tag標(biāo)簽:鈦合金大型單面框,數(shù)控加工,工藝優(yōu)化

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