鈦合金腹（fù）板梁的加工

該文對某腹板梁進行結構分析，結合鈦合（hé）金（jīn）材料性能，製（zhì）定（dìng）合理的加工方案，包括機床（chuáng）夾具（jù）、刀具、量具及加工參數等，通（tōng）過歸納該零件的數字化（huà）製造過程，總結出一套適用（yòng）於相似件的數字（zì）化加工方法。

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序（xù） 言

鈦合金由於其密度小、比強（qiáng）度高及耐腐蝕性（xìng）強等特點，近年來已經在（zài）國際（jì）航空事業中得到了大規模的應用。鈦合金材料具有熱導率小、彈性模（mó）量小及化學活（huó）性高等特（tè）點，在（zài）實（shí）際加工中，容易造成切削溫度高、回彈嚴重、刀具（jù）壽命短及切削效率低等問題，降低了鈦合金的（de）可（kě）加（jiā）工性。分析零件結構，鈦合金零件多為薄壁、內外型複雜的零件，毛料去除率一般（bān）為80%～90%，去除（chú）量較大（dà），因此如何合理安排（pái）加工方案，從而（ér）優質高效地加工鈦合金零件，顯得（dé）十分重要和必要。

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零件結構及加工要求

圖1所示（shì）腹板梁零件外廓尺寸為1060mm×420mm×64mm，材料為鈦合金（jīn）。

圖1　腹板梁（liáng）零件

腹板梁是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（dān）麵槽腔、正（zhèng）反端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，毛料為模鍛件，均勻餘量3mm。此外，腹板梁部分外形處均需預留（liú）焊接餘量，薄（báo）壁處尺寸精度要求（qiú）高，數控加（jiā）工存在（zài）難度。

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工藝分析

在數字化加工（gōng）過程中，主要需要考慮材料性（xìng）能、工（gōng）藝方案（àn），其中工藝方案包括機床夾具、加工方法、刀（dāo）具及量具等多（duō）方麵因（yīn）素，要逐一分析各因素中的具體問題，並製定詳細的解決方案，才能保證腹板梁優質高（gāo）效地加工（gōng）。

3.1　材料性（xìng）能

該零件材（cái）料屬於典型的α鈦合（hé）金，熱處理（lǐ）後硬度和強度都有所增大（dà），屬於航空難加工材料。分析材料機械加工性（xìng）能，其劣勢主要有以下幾方麵。

1）鈦合金導熱係數小、散（sàn）熱性能差（chà），加工（gōng）過程中溫度高，切屑易產生黏刀現象（xiàng）。

2）鈦合金比熱小、熱量不易擴散，加工過（guò）程中，刀具局部位置持續高溫，加快了刀（dāo）具磨損（sǔn），增（zēng）大了發生崩齒現象的（de）概率。

3）TA15 M鈦合金在高溫環（huán）境下，化學穩定（dìng）性差，400℃以上即（jí）可產生致密氧化膜，還與（yǔ）氮、氫等發生反應，增加了加工難度。

結合材料主要特點，在實際數（shù）控銑加（jiā）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，保證切屑可以快速脫落、散走熱量，降低了表麵（miàn）燒傷、氧化及黏刀切傷的風險。

3.2　工藝結構（gòu）

腹板梁在裝配過程中充當梁（liáng）類承（chéng）力（lì）部件，但實際結構更偏向於（yú）腹板零（líng）件，名稱也由此而（ér）來（lái）。腹板梁主要（yào）工藝（yì）結構特點如下。

1）單麵槽腔結構，另一麵為多（duō）平麵結合的折麵區。

2）腹板厚度存在4mm、3.5mm、3mm及5mm等多種規格。

3）緣條厚度存在6mm、8mm、10mm、12mm及2.5mm等（děng）多種規格。

4）頭部內形結構尺寸（cùn）較多，精度要（yào）求高。

5）多處腹板（bǎn）麵夾角≠180°，需擺軸（zhóu）加工。

6）毛料為模鍛件，除孔外其餘均勻餘量3mm，加工容差率（lǜ）低（dī）。

通過分析可知，主要加工難點有4處。

1）腹板、緣條末端薄壁處（chù）因缺少連接結構，100%讓刀，薄壁尺寸難以保證。

2）多處底平麵（miàn）需要接（jiē）合，接合處需光滑（huá）過渡（dù），加工存在難度。

3）頭部φ140mm孔為裝配孔，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，裝夾定位存在（zài）難度。

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方案論（lùn）證

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

4.1　加工刀具（jù）

分析腹板梁結構可（kě）知（zhī），該零件高度跨度小，來料餘量小，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90%為R10mm，底角均為R5mm，確（què）定各工序使用的（de）刀具見表1。

表 1　各工序使用的刀具

4.2　裝夾定位（wèi）

由於腹板梁零（líng）件來料為均勻（yún）3mm餘量的模鍛件，無法使用凸台定（dìng）位，因此確定采用（yòng）2個φ18mm加強孔及筋（jīn）條上表麵（miàn）/下表麵的一麵兩孔定位（wèi）方式，具體流程如圖2所示。

圖 2　一麵兩孔定位具體流程

一（yī）麵兩孔定位可保證定位準確，減小累積定（dìng）位誤差，是保證產品（pǐn）精度的重（chóng）要一步。

4.3　加工方式

該腹板梁屬於典型的雙麵腹板類零件，因此采用AB麵的加工方式即可，即（jí）反麵粗加工→反麵精加工→正麵粗（cū）精加工，具體如下。

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

2）正麵半精銑0.8mm餘量，精（jīng）銑到位（wèi），減少（shǎo）刀路重複次數。由（yóu）於反麵已（yǐ）經（jīng）加工到位，大平麵定位準確性高，所以可直接半精銑、精銑到位。

3）精（jīng）銑時（shí）采用先腹板、後緣條（tiáo）、末筋條（tiáo）的形式（shì），避免了緣條（tiáo）過切、腹板刮傷的現象。

針對3.2中的（de）4處加工難點，製定具體的解決（jué）方案如下。

1）針（zhēn）對末端薄（báo）壁處尺寸，由（yóu）於（yú）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（shēng）讓刀現象，導致薄（báo）壁處尺寸無法切削到位，且具體偏離數值無法（fǎ）得到控製，增加刀具（jù）長度補償的話，會造成（chéng）腹板切傷，工作量也（yě）成（chéng）倍增（zēng）加。圖 3為理論上及實（shí）際切削時薄壁處外形，其中虛（xū）線部分為理論（lùn）上切削時薄壁處外形；實線部分為實際切削（xuē）時薄壁處外形（xíng）。

圖3　理論上及實際切削（xuē）時薄壁處外形

針對此（cǐ）情況，采用（yòng）預留餘量的（de）加工（gōng）方式，即數控加工預留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（yú）薄壁處可以使用自調（diào）千斤頂進行（háng）加固，防止了讓（ràng）刀（dāo）現象的發生。

2）針對反麵平（píng）麵（miàn）相接處（chù），采用φ10R5硬質合金（jīn）銑刀底角行切的方式（shì）加工到（dào）位（wèi），雖然加工周期延長，但保（bǎo）證了相接處的加（jiā）工精度和表麵質（zhì）量。

3）針對頭部φ140mm孔熱處理變形的情況，采取預留餘（yú）量的方式，即熱處理前（qián）加工至φ136mm，單邊留（liú）2mm餘（yú）量，熱處（chù）理後對（duì）比樣板進行校正，後續補加工到位（wèi）。

4）由於毛料均勻餘量3mm，無法預留凸台裝夾，因此隻（zhī）能（néng）利（lì）用外形3mm餘量（liàng）加工壓點，正（zhèng）反麵加工1/2高度的外形，用（yòng）於壓裝壓板，最（zuì）終外形通過正反兩麵接合加工到位（見圖4）。該方（fāng）法的優點在於，加工（gōng）時不需要重（chóng）複替換壓板，減少了接刀痕跡的數量，提高了整（zhěng）體表麵質量，刀路軌跡清晰有條理，同時（shí）提高（gāo）了加工效率。

圖4　外（wài）形通過（guò）正反兩麵（miàn）接合加工到位

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加工容差（chà）分配及測量方式的選擇

在機械加工中，由於（yú）機床誤差、定位誤差及操作誤（wù）差等不（bú）可（kě）避免的原因，實物零件會與設計數模在尺寸方麵有一定的偏差，選擇（zé）合理的偏差範圍是保證零件能（néng）夠滿足交付及後續使用的條件（jiàn）之一。零件按照設計要（yào）求，腹板厚度極限（xiàn）偏差為mm、緣筋條厚度偏（piān）差為±0.2mm，按照通用技術條件要求，外形公差為±0.2mm、孔位公（gōng）差為±0.1mm。

由於該零件在航空產品中生產數量較多，因此製作了專門用於檢查零件位置（zhì）和部分尺寸的模線（xiàn）樣板（bǎn）、反切外樣板，通過樣板可以準確直觀地檢查零件內外（wài）形及孔（kǒng）位，相對於數字化測量，樣板檢查提高了交（jiāo）付效率，縮短了腹板梁的整體生產周（zhōu）期。

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結束語

本（běn）文研究探討了鈦合金材料的性能和（hé）加工難點，對常用的刀具特點、加工思路進行了分析；探討了腹板梁局部難加工特點，製定（dìng）並驗證了有針對性的解（jiě）決方（fāng）案；對腹（fù）板梁及（jí）類似件的完整（zhěng）加工流程進行梳理，總結出（chū）加工該（gāi）零件的詳細方（fāng）案（àn）。

鈦合金零件的數字化加工現已成為（wéi）航空、航天、汽車和船舶等行業的關鍵技術之一，如何優質高效地加工鈦合金（jīn）零件（jiàn）也成為目前機（jī）械（xiè）加工行業的主要研（yán）究方向。通過對某腹板梁典（diǎn）型零件的加工特征（zhēng）進行分（fèn）析，製定了詳細（xì）的工藝方案，包括（kuò）裝夾方案，刀具、量具及容差選擇等，為腹板梁按時高效地交付提供了技術支持，同時也為類似零件（jiàn）後期的工藝準備工作提供了充足的技術儲備。