钛合金小型模锻件的加工

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序言在航空钛合金加工领域，超过70%的小型零件（定义为轮廓最大尺寸≤200mm）采用模锻技术制作毛坯。如何利用先进的数控加工替代老旧的常规加工，实现小型模锻件的高效优质数控加工，成为当前钛合金加工面临的主要问题。2

工模锻件结构分析和技术要求2.1

模锻件结构分析图１所示模锻件余量最小处为左侧外形，对比样板后测量约为4mm；余量最大处为内形底角处，对比零件数模测量约为22mm。模锻件拔模角度为8°，端头处由上至下余量分布为4～12mm，余量不均匀，属于典型的不规则模锻件。图1

模锻件2.2

零件技术要求零件材料为TA15M，轮廓尺寸为64mm×152mm×44mm。零件腹板两侧均为双曲面，厚度分别为3.1～3.25mm和2.1～2.2mm；缘条厚度分别为2mm、3mm和4mm，除4mm处公差为±0.15mm外，其余公差均为±0.12mm，属于典型的薄壁角盒零件。2.3零件的结构工艺性分析

零件的结构工艺性分析是指在满足使用要求和设计要求的前提下，分析加工制造的可行性和经济性的过程[1]。该零件的结构工艺性分析如下。

1）零件的内槽和缘条之间的转角大小以及内槽和腹板之间的底角大小决定了刀具的选择，将直接影响零件的加工工艺性。零件底角和转角尺寸如图2所示，底角有R4mm、R8mm两种规格，转角也有R4mm、R8mm两种规格，转角、底角规格不统一，无法使用单规格刀具完成精加工，后续工艺安排时应结合加工方案充分考虑刀具选择。图2零件底角和转角尺寸2）零件的外形、腹板尖角处存在多处双曲面，三坐标加工困难，即使通过编程指令实现加工，零件表面质量也相对较差，加工效率也会受到影响。且零件局部厚度＜3mm，属于薄壁部位，相对于三坐标行切，使用五坐标摆刀加工更能保证零件厚度要求，后续选择设备时应充分考虑。3）毛坯结构应便于装夹、加工。分析该角盒毛坯特点，两侧余量不均匀，较高一侧外形余量4～12mm，预留加工凸台最少需要3mm（压点位置）加切断凸台使用的刀具直径值，显然该毛坯余量不满足预留凸台的条件；若使用压制零件本身加工，则加工过程中需要多次窜动压板，实现铣刀的躲避，而零件自重较小，窜动压板、多次装夹必然导致零件窜动，严重影响零件的加工稳定性，存在较大安全风险；观察毛坯，不属于典型的四方或者六方零件，使用虎钳加工的可能性极低。因此，只能通过修改锻件模型或者焊接增材的方式增加工艺耳片，实现稳定、便捷的装夹加工，后续选择装夹方式时应充分考虑。3

数控加工路线根据零件的技术要求和结构特点分析，本着机床周转尽量少、加工工序尽量少的原则，选用五坐标立式加工中心进行加工，这样整个机械加工过程就能约束在同一台机床上完成，正反面两个工位安排工序就能实现零件全部数控加工到位，实现了装夹、周转次数最小化，能够更好地保证零件的尺寸精度，同时提升整体效率。依据“先面后孔、先粗后精、先主后次、基面先行”的原则，初步制定角盒零件数控加工工艺流程见表1。表1角盒零件数控加工工艺流程4

工艺难点与解决措施围绕数控加工路线及零件结构工艺性分析，确定加工细节，主要内容如下。1）工艺准备阶段主要解决装夹定位问题，创新使用氩弧焊焊接工艺耳片的方式增加装夹定位用凸台。选择焊接方式及耳片结构时，主要考虑焊缝强度及热影响区两方面因素。在满足强度要求的情况下，工艺耳片厚度应尽可能小，以方便后续切除。该角盒零件轮廓尺寸＜250mm，依据前期焊接试验结论，设置两处10mm厚工艺耳片即可满足强度要求。根据现场压板尺寸一般为50mm，基准孔直径加切断耳片用刀具直径约30mm，设置耳片尺寸为50mm×35mm×δ10mm。工艺耳片采用单侧V形坡口，坡口深度4mm，焊接电流100A，此时10mm工艺耳片可完全焊透，零件侧热影响区约为3.5～4.2mm，毛坯余量满足要求。焊接形式如图3所示。因工艺耳片位置精度要求较低，而手工氩弧焊操作简单，所以为耳片焊接首选。图3焊接形式通过增加工艺耳片，在耳片上钻制2个φ12mm基准孔，满足一面两孔数控加工快速装夹定位，且每个工序只需一次装夹即可完成加工，有效保障了零件的尺寸精度和表面质量。焊接凸台如图4所示。图4焊接凸台示意

2）粗加工主要去除多余余量，对加工表面质量及尺寸精度要求较低，主要以顺铣为主，可以减少刀具损耗，保持机床平稳；半精加工的目的是去除粗铣后残留，去除拐角处局部大量，尽量保证精加工余量均匀，同时判断零件变形及装夹情况是否合格；精加工的目的是按照设计要求，将所有尺寸加工到位，同时保证零件加工表面质量达到最优，在切削过程中极易造成擦伤和接刀棱，所以必须控制加工速度，以低速进行。依据上述原则，该角盒零件数控加工过程中的刀具安排及加工策略见表2。

表2

数控加工过程中的刀具安排及加工策略分析以上方案，粗铣采用Z

向分层的策略，因零件轮廓尺寸较小，余量较少，可以直接使用φ20mm刀具进行粗铣，与大直径刀具粗铣效率相差无几，且后续无需清理转角，反而提升加工效率；针对内形转角、底角均有R8mm、R4mm两种规格的问题，精铣先采用D20R4刀具进行加工，然后使用D8R4刀具对R4mm转角和R8mm底角进行行切补加工，实现零件完全数控加工到位的目标；对于双曲面结构，采用行切策略加工到位，残留高度设置为0.01mm，满足表面粗糙度值Ra=3.2μm的设计要求。5

结束语该角盒零件的数控加工均是在蓝宝蒂RAMMATIC1001型五坐标立式加