當(dāng)今航空工業(yè)迅速發(fā)展，對飛機性能的要求越來越高，高機動性、大載彈量、長續(xù)航、抗復(fù)雜工況是提升飛機戰(zhàn)斗能力的重要指標(biāo)要求，這對飛機的重量、結(jié)構(gòu)形式提出了更大挑戰(zhàn)。大型整體薄壁結(jié)構(gòu)件成為飛機主要骨架的重要結(jié)構(gòu)形式，是降低飛機結(jié)構(gòu)重量、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)強度性能指標(biāo)的有效方式。受限于鈦合金的鍛造和加工工藝，以往的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件多采用分段鍛造、分段加工、焊接再加工的方式實現(xiàn)，為了提升飛機的服役壽命，大型整體鍛造鈦合金需加以應(yīng)用，但是由于其整體性所帶來的結(jié)構(gòu)形式、加工工況均相當(dāng)復(fù)雜，制造難度較大。

飛機 TA15 鈦合金大型整體大深寬比零件作為飛機機翼的重要零件，是區(qū)別于由多個零件加工 – 焊接 – 再加工的重大工藝改進，其整體成扁深開口盒子狀，結(jié)構(gòu)剛性差、裝配孔位精度高、半封閉復(fù)雜結(jié)構(gòu)多，加工工藝可達性極差，使其成為超難加工的飛機零部件。許多學(xué)者對薄壁結(jié)構(gòu)零件的加工進行研究，主要分為 3 種方式：

第 1 種是控制變形和切削穩(wěn)定性，提高形面精度。在薄壁零件的側(cè)銑加工中，過大的靜態(tài)變形通常會破壞輪廓公差。在刀具包絡(luò)面上壓印預(yù)測的刀具 / 工件變形來構(gòu)造加工表面可以有效地減小薄壁零件銑削加工的表面誤差[1–3]。Wan 等[4] 提出了一種在工件上附加適當(dāng)質(zhì)量來提高顫振穩(wěn)定性的有效方法，并通過薄壁零件的銑削驗證其有效性和可靠性。Wang 等[5] 通過優(yōu)化切削順序來降低銑削變形提高加工質(zhì)量，根據(jù)有限元仿真工件變形情況及時修正切削參數(shù)，以減少工件變形提升形面精度。第 2 種是進行刀具矢量及切削路徑規(guī)劃，提高加工效率和精度。刀軸矢量的大幅度變化不僅會導(dǎo)致較大的加工誤差，而且加工效率較低。基于運動學(xué)特征的五軸數(shù)控加工刀軸矢量規(guī)劃能夠保證旋轉(zhuǎn)軸的平滑運動，使復(fù)雜曲面的加工過程更加穩(wěn)定可靠[6]。黃濤等[7] 對比分析了不同傾角加工的切削力和加工變形，對刀具路徑軌跡和刀軸傾角進行了優(yōu)化，最后通過葉片加工進行了驗證。Zhou 等[8] 提出了基于最優(yōu)刀具軌跡的銑削變形控制方法，提高了工件的銑削剛度，從而提升了加工效率。第 3 種是針對特定結(jié)構(gòu)，優(yōu)化裝夾方案。

合理的裝夾能夠控制加工變形與振動，有效提升薄壁零件的加工穩(wěn)定性[9]。Xing 等[10] 采用一種效率更高的分步優(yōu)化法，首先將基于工程經(jīng)驗篩選后的所有可行裝夾節(jié)點按區(qū)域分組，通過初步優(yōu)化獲得最優(yōu)裝夾位置，可以顯著降低薄壁零件的定位誤差和加工變形。Zeng 等[11]則通過輔助支撐的技術(shù)提高加工精度，依次在最大振動位置處增加輔助支撐，逐步優(yōu)化支撐數(shù)目和位置。另外還有采用智能夾具方式，結(jié)合傳感技術(shù)、信號識別處理算法和控制論，使智能夾具與機床的交互成為可能，但是目前主要應(yīng)用于簡單零件，針對復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的智能夾具還未開展相關(guān)研究[12]。

上述研究在工藝方案優(yōu)化、刀矢及切削路徑規(guī)劃和裝夾工藝設(shè)計等方面已經(jīng)取得了一定的成果，但是在復(fù)雜零件的工程化加工應(yīng)用方面還有待提升。本文針對復(fù)雜的、具有大量半封閉深腔的大型鈦合金整體鍛件，從工藝路線制定、裝夾方案、切削方案等多方面，系統(tǒng)性地給出了解決方案。

1、 工藝分析

鈦合金整體大型大深寬比零件構(gòu)型復(fù)雜，如圖 1 所示。目前，需采用整體鍛造工藝 + 整體機加來實現(xiàn)，主要的工藝難點如下：

（1）零件整體呈大深寬比結(jié)構(gòu)，工藝可達性差，主軸頭無法達到深腔內(nèi)部，常規(guī)五軸聯(lián)動機床無法加工出設(shè)計所需尺寸；

（2）零件剛性較弱，最小壁厚 2.8mm，材料去除量約 89%，加工中易出現(xiàn)變形，尺寸和形狀精度不易保證；

（3）切削工藝性差，型腔深度 170mm，刀具懸深過大且磨損更加嚴重，銑削顫振極易發(fā)生；

（4）零件存在大量的閉角 + 曲面結(jié)構(gòu)形式，加工效率低，且尺寸精度不易保證。

2、 工藝路線制定

對于復(fù)雜的鍛造鈦合金結(jié)構(gòu)件，材料去除量通常較大，且由于鍛造工藝不穩(wěn)定使得加工中易發(fā)生變形，因此，在制定總體的工藝路線時，就要綜合考慮設(shè)備、裝夾、工藝方法、工具、加工難點、不易控制因素以及加工效率和成本。

首先確定的總體路線是三軸機床 + 五軸機床混合的加工方式。主要原因有： （1）粗精加工機床分開，利用三軸機床結(jié)構(gòu)簡單、剛性好的優(yōu)勢，提高切削加工效率； （2）在工序轉(zhuǎn)移時，增加零件自然失效時間，讓零件充分變形，釋放殘余應(yīng)力。具體的工藝路線如圖 2 所示，即三軸粗加工（粗銑上面→粗銑下面→粗銑深腔→粗銑耳片→粗銑二墻腹板槽）→五軸耳片精加工→五軸深腔精加工（銑深腔內(nèi)壁上段→銑翼面→銑深腔內(nèi)壁中段→銑翼面→銑深腔內(nèi)壁下段→銑翼面）→去耳片工位工藝凸臺→去深腔工位工藝凸臺→鉗→檢驗。

3、 工藝方案設(shè)計

3.1 裝夾規(guī)劃

為了實現(xiàn)零件的高效裝夾，在飛機整體結(jié)構(gòu)件的基礎(chǔ)上設(shè)計了典型工藝凸臺和輔助工藝凸臺，通過數(shù)控機床一次銑平，保證相互位置精度，其工藝凸臺分布情況如圖 3 所示。在零件上端采用等間距、對稱式工藝凸臺排布，共 10 處，在零件加工時起主要支撐和定位作用。

在切削過程中，零件剛度不斷發(fā)生變化，極易發(fā)生微小失穩(wěn)，可能造成整體零件的尺寸差、部分側(cè)壁厚度減薄現(xiàn)象，導(dǎo)致無法滿足飛機的設(shè)計要求。為了更好地保證零件夾持穩(wěn)定性，在零件下端近耳片位置對稱分布了10 個輔助工藝凸臺，起到了輔助支撐作用。

3.2 定夾角曲面高效銑削

傳統(tǒng)的曲面銑削方式為球頭刀或圓鼻銑刀的圓角切削刃行切，加工效率極低（圖 4（a））。針對翼面減重槽等曲率較小的曲面，提出了定夾角刀具底刃大步距曲面高效加工方法。根據(jù)翼面減重槽小曲率近平面的特性，在滿足刀具刀柄與其他曲面和夾具不干涉的情況下，采用圓鼻銑刀底刃切削，保持刀軸始終垂直于曲面，增大了切削步距，提高了加工效率（圖 4（b））；另外，依據(jù)減重槽待銑削面積的大小，采用不同直徑的刀具進行加工。

3.3 恒穩(wěn)態(tài)深腔分段加工

深腔的不同位置剛度差異較大，且不同位置的加工方式及刀具軌跡是不同的，因此綜合考慮加工時間及加工精度，提出了恒穩(wěn)態(tài)深腔分段加工方法，將深腔內(nèi)壁的銑削分為 3 段加工，如圖 5 所示。在深腔剛度好的時候銑削上部，此時刀具加工的懸伸量較小，可以有效地減少薄壁零件加工中常遇到的顫振現(xiàn)象[13–14]，并且在此部分的加工中可以選擇高的進給速度和大的切削量，以提高加工效率；深腔中部的加工主要考慮人字形加強筋的加工，避免刀具和工件的干涉現(xiàn)象；深腔下部加工時刀具的懸伸量較大，刀具剛性弱，出現(xiàn)干涉的可能性增大，此時采用較小的切削用量和進給速度，用于保證尺寸精度。

3.4 拓角度減重精準(zhǔn)加工

在整體翼盒內(nèi)壁加工時，存在五軸聯(lián)動機床難以加工到的區(qū)域，為了實現(xiàn)零件的加工尺寸精度要求，選用拓角度加工方案，如圖 6 所示。即在五軸聯(lián)動機床上，增加一個角度頭裝置，拓展機床的擺角范圍。由于整體翼肋深度方向過大且寬度不夠，人字形加強筋的下部加工難度極大。通過數(shù)控加工程序多輪次模擬仿真，破解了機床主軸、擺角頭、刀柄、刀具與零件的干涉難題，動態(tài)調(diào)整擺角角度，實現(xiàn)了閉角無余量的精準(zhǔn)加工。

4、結(jié)論

通過對大深寬比鈦合金整體結(jié)構(gòu)件的高效加工研究，實現(xiàn)了該類零件的成功研制，得出如下結(jié)論。

（1）合理的工藝路線、裝夾方案對于保障大型鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的高效精準(zhǔn)加工至關(guān)重要。提出了三軸 + 五軸混合加工總體技術(shù)方案，粗精加工階段分開，并保證零件時效工藝，綜合考慮了設(shè)備、裝夾、工藝方法、工具、零件特征，實現(xiàn)了零件高效加工。

（2）針對減重槽小曲率近平面特征，提出了定夾角刀具底刃大步距曲面高效加工方法，增加了刀具有效切削接觸面積，極大地提高了小曲率曲面的加工效率。

（3）針對深腔局部特征多樣化、結(jié)構(gòu)剛性差異性大的問題，提出了恒穩(wěn)態(tài)分層加工方案，劃分為上、中、下3 部分進行切削，依據(jù)刀具剛性，制定出不同的加工工藝參數(shù)，提高了零件的加工表面質(zhì)量和效率。

（4）針對五軸聯(lián)動機床加工可達性不足的現(xiàn)象，提出了拓角度加工策略，開展機床主軸 – 擺角頭 – 刀柄刀具 – 零件的聯(lián)動仿真，動態(tài)調(diào)整擺角角度，實現(xiàn)了零件難加工區(qū)域的減重精準(zhǔn)制造。

參 考 文 獻

[1] WANG X X, GAO P F, ZHAN M, et al. Development of microstructural inhomogeneity in multi-pass flow forming of TA15 alloy cylindrical parts[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2020, 33(7): 2088–2097.

[2] ZHAO J, Lü L X, WANG K H, et al. Effects of strain state and slip mode on the texture evolution of a near-α TA15 titanium alloy during hot deformation based on crystal plasticity method[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2020, 38: 125–134.

[3] LI Z L, ZHU L M. Compensation of deformation errors in five-axis flank milling of thin-walled parts via tool path optimization[J].Precision Engineering, 2019, 55: 77–87.

[4] WAN M, DANG X B, ZHANG W H, et al. Optimization and improvement of stable processing condition by attaching additional masses for milling of thin-walled workpiece[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2018, 103: 196–215.

[5] WANG J, IBARAKI S, MATSUBARA A. A cutting sequence optimization algorithm to reduce the workpiece deformation in thin-wall machining[J]. Precision Engineering, 2017, 50: 506–514.

[6] MA J W, QIN J Y, JIA Z Y, et al. Control method of tool axis vector based on kinematics characteristics for five-axis NC machining[J].International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems, 2015,8(1/2): 49–51.

[7] 黃濤 , 劉志兵 , 王西彬 , 等 . 刀軸側(cè)傾角對薄壁葉片加工變形的影響 [J]. 兵工學(xué)報 , 2018, 39(3): 577–583.

HUANG Tao, LIU Zhibing, WANG Xibin, et al. Effect of inclination angle of cutter shaft on machining deformation of thin-walled blade[J].Acta Armamentari, 2018, 39(3): 577–583.

[8] ZHOU J M, YI J, YI F Y, et al. Experimental study on micromilling deformation control of micro-thin wall based on the optimal tool path[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2021, 43(5): 1–14.

[9] 吳寶海 , 鄭志陽 , 張陽 , 等 . 面向薄壁零件加工變形與振動控制的智能裝夾技術(shù)研究進展 [J]. 機械工程學(xué)報 , 2021, 57(17): 21–34.

WU Baohai, ZHENG Zhiyang, ZHANG Yang, et al. Intelligent clamping technology for machining deformation and vibration control of thin-wall parts: A review of recent progress[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(17): 21–34.

[10] XING Y F, HU M, ZENG H, et al. Fixture layout optimisation based on a non-domination sorting social radiation algorithm for auto-body parts[J]. International Journal of Production Research, 2015, 53(11):3475–3490.

[11] ZENG S S, WAN X J, LI W L, et al. A novel approach to fixture design on suppressing machining vibration of flexible workpiece[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012, 58: 29–43.

[12] 王斌利 , 李迎光 , 郝小忠 , 等 . 復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工浮動裝夾自適應(yīng)控制方法 [J]. 航空制造技術(shù) , 2017, 60(10): 64–69.

WANG Binli, LI Yingguang, HAO Xiaozhong, et al. An adaptive control method of floating fixture for NC machining of complex structural parts[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2017, 60(10): 64–69.

[13] RINGGAARD K, MOHAMMADI Y, MERRILD C, et al.Optimization of material removal rate in milling of thin-walled structures using penalty cost function[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2019, 145: 103430.

[14] YANG Y, ZHANG W H, MA Y C, et al. An efficient decomposition-condensation method for chatter prediction in milling large-scale thin-walled structures[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2019, 121: 58–76.

通訊作者：牟建偉，研究員級高級工程師，研究方向為飛機制造工藝。

相關(guān)鏈接