翼身对接钛合金缘条变形控制技术研究

宋毅　惠昕　关艳英

摘要：对翼身对接钛合金缘条零件进行分析，通过工艺流程、切削参数、切削方式、装夹方式等的设计选择，解决零件的加工变形问题，从而提高零件装配精度，保证零件尺寸精度及零件表面粗糙度的要求。

关键词：钛合金;薄壁;弱刚性;变形

引言

现代航空产品在机体和发动机材料选择上广泛采用高比强度材料——钛合金，同时采用整体结构以达到较低的结构重量比，最为典型的是钛合金整体结构零件。 整体结构件的精密加工技术与加工过程中的切削力、切削热、装夹力、工艺路径、毛坯内应力和切削残余应力等因素紧密相关，并受到零件结构和加工工艺等因素影响，是航空制造业公认的难题。通过本项目的研究，使大型民机钛合金零件的机械加工技术达到一个新的水平。

1.零件结构简介

以C919飞机上缘条为例，该零件为TC4材料零件，零件结构属薄壁弱刚性结构，零件腹板为变斜角曲面，厚度渐变。中间立筋壁厚4.5mm左右，单侧筋高达110mm，无其它支撑结构，零件剖面为“十”字结构。零件毛坯为模锻件。由于零件的材料和特殊结构，该零件加工易产生回弹、翘曲、震颤等变形。

2.零件变形分析

航空结构件加工变形可分为两大类：结构局部变形和外形轮廓整体变形。结构局部变形主要出现在切削加工过程中，通常表现为让刀、局部弯曲等。整体轮廓变形主要表现为切削加工完成后的整体弯曲、扭曲以及零件放置过程中的伸长或缩短等。影响该结构件变形的主要因素包括：

（1）应力引起的变形

在铣削加工过程中，切削过程的塑性变形和切削热改变了工件内的应力分布，产生大量变形能储存在零件内。加工完成后取下零件，变形能释放出来造成变形。

（2）材料特性引起的变形

钛合金的弹性模量较小，为117.6GPa左右，约为钢的一半。因此，钛合金在进行切削加工时，会在切削力的作用下发生变形，且加工表面的回弹量较大，回弹、变形和振动容易造成零件质量问题。

（3）零件结构引起的变形

零件总体轮廓呈弧形悬臂状态，在加工过程中及加工后整体结构容易产生弯曲变形;立筋跨度达3m左右且中间无支撑结构，加工时受力容易出现让刀现象，壁厚难以保证且会出现接刀差。

（4）零件装夹造成的变形

零件理论外形公差+0.05/-0.3，厚度公差+0.3/-0.1，零件在定位装夹时，在夹紧力作用下产生变形，加工过程中造成过切，当加工完成后零件恢复弹性变形，造成理论外形、筋位、轮廓等要素的偏差甚至超差。

3.变形控制方案

（1）消除零件内应力

对于零件应力引起的变形，从去除零件内残余应力入手，增加热处理工序，同时采用雙面对称去除余量的方案，最大限度消除零件内应力。零件分为粗、半精、精三个加工阶段，通过合理的余量分部及加工顺序达到应力释放的目的;同时在粗加工、半精加工结束时分别进行消除应力热处理，以消除加工过程中残余的应力。粗加工要尽可能多的去除材料，充分释放加工应力，实现精加工余量小而降低零件变形的目的，但同时要保证后续加工具有足够的刚性支撑和刚性，因此需要合理安排加工顺序和余量去除的程度，最大限度消除应力。（2）选择合理刀具及参数

粗加工及半精加工阶段零件工艺余量较大，刚性较好，选用较大直径刀具可提高加工效率，加工立筋时采用Φ40R5焊齿合金刀具，粗铣腹板采用Φ35R0.2机夹式立铣刀，粗铣筋厚采用大切深（15mm/层）慢进给（80mm/min）的加工方式，粗铣腹板采用小切深（0.5mm/层）快进给（1200mm/min）的加工方式;精加工采用小直径刀具可减小切削力，减小变形;同时考虑零件理论外形具有一定曲率，精加工立筋及腹板采用Φ25R5硬质合金刀具。材料本身的特性决定了在加工过程中，切削宽度越大刀具与工件接触的时间就越长，产生的热量也越多，因此，尽量减小切削宽度，通过增加切削刃长度，加大轴向切深，降低热量的产生，从而减少零件的变形。对于零件双曲薄壁结构，采用大进给轻量切削，解决双曲弱刚性结构局部受力变形及震动问题。

（3）加强零件加工刚性的切削方式

零件中间立筋由于壁厚薄，高度较高，加工中产生让刀。对此采用“阶梯对称铣削”工艺，该加工工艺不仅可以最大限度地使应力均匀分布，又能充分利用薄壁的刚性，进而达到减小变形、提高加工效率的目的。对于零件的弧形结构，根据文献[1]中理论，先切除内圈的材料比放在切除外圈余量后切除，变形明显较小，故选择零件的凹面作为加工的第一工位。

（4）合理的装夹方式。

装夹主要通过装夹变形和装夹力影响零件的最终加工变形，装夹变形的零件在卸出夹具后将发生回弹，从而导致零件超差。该零件正反两面分别采用两套铣具，铣具采用与零件型面完全匹配的支撑面定位的方式，从而装夹时完全贴合，杜绝零件加工时的震颤变形。

装夹原则：粗加工阶段夹紧力要大，防止在大切削力作用过程中零件松动;精加工阶段夹紧力要小，防止装夹变形，此阶段在第一面加工时采用“自然状态下铝箔垫实零件与夹具定位面缝隙”的方式装夹，以减少零件的装夹应力;第二面加工时采用“强压”的方式使零件型面与夹具定位面贴合，以达到定位准确的目的。

4.结语

翼身对接缘条以其特殊的材料和结构造成了该类零件对变形控制有较为严格的需求，本文通过加工实例对控制变形的方法进行了讨论，对一些理论方法进行了应用验证。但零件变形的原因是复杂的，往往是多种因素共同作用的结果。所以，制定方案应充分考虑各方面因素，做到周密，这样才能更好地保证零件加工质量。

参考文献

[1]飞机结构件数控加工变形控制研究与仿真  梅中义，王运巧，范玉青（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100083）

[2]航空整体结构件加工变形控制与校正关键技术  山东大学南校区机械工程学院  孙杰  李剑峰 王中秋  山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室  成都飞机工业（集团）有限责任公司  宋良煜  何勇

[3]阶梯对称铣削工艺在薄壁件精密加工中的应用  武凯1，何宁1，廖文和1，宋良煌2，陈雪梅