研究了小型模鍛件角盒的加工方案，從難點(diǎn)分析、方案設(shè)計(jì)、工藝準(zhǔn)備、加工工藝等方面進(jìn)行了綜合論述。通過(guò)選擇合適的數(shù)控設(shè)備和裝夾方式，制定數(shù)控加工路線和難點(diǎn)解決方案，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的數(shù)控批量加工。

1前言

在航空鈦合金加工領(lǐng)域，70%以上的小零件(定義為輪廓最大尺寸≤200mm)采用模鍛技術(shù)制成毛坯。如何用先進(jìn)的數(shù)控加工代替陳舊的常規(guī)加工，實(shí)現(xiàn)小型模鍛件的高效率、高質(zhì)量數(shù)控加工，已成為當(dāng)前鈦合金加工面臨的主要問(wèn)題。

2模鍛件的結(jié)構(gòu)分析和技術(shù)要求

2.1模鍛件的結(jié)構(gòu)分析

圖1所示模鍛件的最小余量為左輪廓，約為4mm與樣板對(duì)比后。最大余量在內(nèi)形底角，對(duì)比部分?jǐn)?shù)模測(cè)量約22mm。模鍛件拔制角度為8°，端部留量為上下4 ~ 12 mm。余量不均勻，屬于典型的不規(guī)則模鍛件。

2.2零件的技術(shù)要求

零件材料為TA15 M，外形尺寸為64mm×152mm×44mm。腹板兩側(cè)為雙曲面，厚度分別為3.1 ~ 3.25毫米和2.1 ~ 2.2毫米；分別是；邊緣厚度分別為2mm、3mm和4mm。除4mm處公差為0.15mm外，其他公差均為0.12mm，是典型的薄壁角盒零件。

2.3零件的結(jié)構(gòu)可制造性分析

零件的結(jié)構(gòu)可制造性分析是指在滿足使用要求和設(shè)計(jì)要求的前提下，分析加工制造的可行性和經(jīng)濟(jì)性的過(guò)程[1]。該零件的結(jié)構(gòu)可制造性分析如下。

1)內(nèi)槽與凸緣之間的轉(zhuǎn)角和內(nèi)槽與腹板之間的底角決定了刀具的選擇，將直接影響零件的加工工藝。如圖2所示，零件底角和拐角的尺寸有R4mm和R8mm兩種規(guī)格，拐角也有R4mm和R8mm兩種規(guī)格。由于邊角和底角的規(guī)格不統(tǒng)一，不可能用單一規(guī)格的刀具完成精加工。在后續(xù)的工序安排中，刀具的選擇要結(jié)合加工方案充分考慮。

2)零件形狀有很多雙曲面，腹板有尖角，三坐標(biāo)加工困難。即使通過(guò)編程指令實(shí)現(xiàn)加工，零件的表面質(zhì)量也比較差，加工效率也會(huì)受到影響。且零件局部厚度< < 3mm，屬于薄壁零件。與三坐標(biāo)線切割相比，五坐標(biāo)擺刀加工能更好地保證零件的厚度要求，在后續(xù)設(shè)備選型時(shí)應(yīng)充分考慮。

3)毛坯結(jié)構(gòu)應(yīng)便于夾緊和加工。通過(guò)分析角盒毛坯的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)兩邊余量不均勻，高邊的輪廓余量為4 ~ 12mm，預(yù)留的加工凸臺(tái)至少需要3mm(壓點(diǎn)位置)加上用于切割凸臺(tái)的刀具直徑值。顯然空白邊不符合預(yù)留boss的條件。如果使用壓制件進(jìn)行加工，在加工過(guò)程中需要多次移動(dòng)壓板，以避開(kāi)銑刀。而零件自重較小，多次移動(dòng)壓板夾緊必然導(dǎo)致零件移動(dòng)，嚴(yán)重影響零件的加工穩(wěn)定性，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。觀察毛坯，不屬于典型的方形或六邊形零件，用虎鉗加工的可能性極低。因此，只能通過(guò)修改鍛造模型或焊接添加劑來(lái)增加工藝耳片，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、便捷的裝夾加工，并充分考慮后續(xù)裝夾方式的選擇。

3數(shù)控加工路線

根據(jù)零件的技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，本著機(jī)床周轉(zhuǎn)次數(shù)最少、加工工序最少的原則，選擇五軸立式加工中心進(jìn)行加工，這樣可以約束整個(gè)加工過(guò)程在同一臺(tái)機(jī)床上完成，通過(guò)前后工位的工序安排，實(shí)現(xiàn)所有零件的數(shù)控加工，最大限度地減少裝夾和周轉(zhuǎn)次數(shù)，更好地保證零件的尺寸精度，提高整體效率。

按照“先面后孔、先粗后精、先主后次、先基”的原則，初步制定了角盒零件的數(shù)控加工工藝流程，如表1所示。

4工藝難點(diǎn)及解決方案

圍繞數(shù)控加工路線和零件結(jié)構(gòu)的工藝性分析，確定加工細(xì)節(jié)，主要內(nèi)容如下。

1)工藝準(zhǔn)備階段主要解決夾緊定位問(wèn)題，創(chuàng)新氬弧焊增加夾緊定位用凸臺(tái)。

在選擇焊接方法和焊片結(jié)構(gòu)時(shí)，主要考慮焊縫強(qiáng)度和熱影響區(qū)兩個(gè)因素。在滿足強(qiáng)度要求的情況下，工藝耳片的厚度應(yīng)盡可能小，以便于后續(xù)切割。角盒零件的外形尺寸小于250毫米。根據(jù)之前焊接試驗(yàn)的結(jié)論，設(shè)置兩個(gè)10mm厚的工藝吊耳即可滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)夾具尺寸，一般為50mm，基準(zhǔn)孔直徑加上切掉吊耳的刀具直徑約為30mm，吊耳尺寸為50mm×35mm×δ10mm。工藝耳片采用單邊V型坡口，坡口深度4mm，焊接電流100A，此時(shí)10mm的工藝耳片可以完全焊接，零件側(cè)面熱影響區(qū)約3.5 ~ 4.2 mm，毛坯余量滿足要求。焊接形式如圖3所示。由于工藝焊片的位置精度要求低，手工氬弧焊操作簡(jiǎn)單，是焊片焊接的首選。

通過(guò)增加工藝凸耳，在凸耳上鉆兩個(gè)φ12mm的基準(zhǔn)孔，可以滿足數(shù)控加工中一面兩孔快速裝夾定位的要求。而且每道工序只需一次裝夾即可完成加工，有效保證了零件的尺寸精度和表面質(zhì)量。焊接凸臺(tái)如圖4所示。

2)粗加工主要是去除多余余量，對(duì)表面質(zhì)量和尺寸精度要求較低，為了減少刀具損耗，保持機(jī)床穩(wěn)定，主要利用銑削[2]；半精加工的目的是去除粗銑后的殘?jiān)?，去除大量的局部邊角，盡量保證均勻的精加工余量，判斷零件的變形和裝夾是否合格。精加工的目的是按照設(shè)計(jì)要求將所有尺寸加工到位，同時(shí)保證零件的加工表面質(zhì)量達(dá)到最佳水平。在切割過(guò)程中容易造成劃痕和刀口，所以必須控制加工速度，低速進(jìn)行[3]。根據(jù)以上原則，角盒零件數(shù)控加工過(guò)程中的刀具排列和加工策略如表2所示。

根據(jù)上述分析方案，粗銑采用Z向分層策略。因?yàn)榱慵妮喞叽缧?，余量小，所以可以直接用?0mm的刀具進(jìn)行粗銑，和大直徑刀具的粗銑效率相差無(wú)幾，而且后期不用清理邊角，提高了加工效率。針對(duì)內(nèi)角和底角有R8mm和R4mm規(guī)格的問(wèn)題，用D20R4刀具精銑，再用D8R4刀具切削修復(fù)R4mm角和R8mm底角，達(dá)到零件完全數(shù)控加工的目的。對(duì)于雙曲面結(jié)構(gòu)，采用線切割策略加工到位，殘留高度設(shè)置為0.01mm，滿足表面粗糙度值RA = 3.2 μ m的設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)束語(yǔ)

在RAMMATIC 1001五軸立式加工中心上完成了角盒零件的數(shù)控加工，體現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)加工的優(yōu)越性。通過(guò)創(chuàng)新性地使用焊接工藝耳片的裝夾方式，完美實(shí)現(xiàn)了小型模鍛件在數(shù)控加工中的快速定位和裝夾。后續(xù)刀具、編程策略和加工順序的合理安排和選擇，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、高效的加工，對(duì)類似零件的數(shù)控加工具有一定的借鑒意義。