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鈦合金舵芯高（gāo）效加工技術研究

2021-11-2 來源：首都航天機械有限公司作者：戰（zhàn）祥鑫，張玉（yù）強，李涵（hán），蘇曉，楊春月等

摘要: 舵芯組件采用難加工材料鈦合金（jīn）製造，整體由舵芯骨架與舵（duò）芯蒙皮焊接而成，外形為一種靠空間複合麵組成的楔形結構。針對（duì）多個型號舵芯加工過程中反複裝夾、找正、測量與切削導致加工周期長（zhǎng）和加（jiā）工效率低等問題，通過對加工方法進行機理分析，從設計通用性較強的組合工裝、完善加工流程以及合理選用（yòng）刀具參數三（sān）方麵出（chū）發，進行高效加工技術研究，大大縮（suō）短（duǎn）了舵芯產品的加工周期，進一步（bù）提升了產品加工質量穩定性。

關鍵詞: 鈦合金; 空間複合麵; 組合工裝; 高效加工技術

1、引言

舵芯（xīn）是航空航天飛行（háng）器結構中的重要（yào）零件，在控製飛行姿態上起（qǐ）至關重要的作（zuò）用，因此，其加工精度直接影響產（chǎn）品飛行的精度。鈦合金舵芯憑借輕質化、高剛度的優勢被（bèi）廣泛應用於航空航天領域。但是由於該材料硬度高、熱傳導率低（dī），且（qiě）產品結構複雜、不（bú）易裝夾，在加工過程（chéng）中局部餘量去除大且易變形，難以保證較（jiào）高的精度要求。為保證零件的加工精度，傳統工藝采用反複加工的方法，導致其加工工序多（duō）、生（shēng）產周期長，無法滿足生（shēng）產需求。

針對上述問（wèn）題，本文從加工流程、工裝和刀具等方麵入手，優（yōu）化原有的舵芯加工工藝，通過（guò）實際生產（chǎn）驗證優化後的工（gōng）藝方法大幅縮短舵（duò）芯的加工（gōng）周期，成功解決了多項綜合性難題，進一步提高了零件的加（jiā）工質量（liàng）穩定性。

2、結構特點和加工難點

某型號舵芯產品零件如圖 1 所示。舵芯結構（gòu）形狀特（tè）殊，是一種複雜的結構件，由舵芯骨架與舵芯蒙皮焊接而成（chéng），內（nèi）部骨架上分（fèn）布著一係列環向和輻射狀的加強筋。兩側的蒙（méng）皮是由兩個不同角度組合而（ér）成的複合（hé）型麵，同時舵麵兩端厚度（dù）差大，整體呈楔形結構，對裝夾定位造成了極大的困難。

圖1 舵芯結構

鈦合金（jīn）舵芯產品中骨架材料為鑄造 ZT4 鈦合金，蒙皮材料為鍛造 TC4( Ti-6Al-4V) 鈦合金，盡管鈦合金存在諸多優點: 包括高比強度遠超過強度高（gāo）而密度大的鋼，密度小但強度較低的（de）鋁合金; 抗腐蝕性強，多數情況下不需要附加表麵（miàn）保護層; 耐熱（rè）性遠高於鋁合金，工作溫度範（fàn）圍較大（dà）。但鈦合金產品給（gěi）機械加工帶來極大地挑戰: 熱（rè）傳導率低，僅（jǐn）15. 24W/( m·K) ，加劇刀具磨損; 彈性模量低，載荷作用下發生變形後產（chǎn）生極大的回彈，造（zào）成讓刀現象;化學活性高，親和作用大，在切削溫度高時，切削及被切削表層與刀具材料咬合而產生嚴重的（de）粘刀現象，引起劇烈的（de）粘結磨損。

舵（duò）芯的加工精度將直接影響飛行器的飛行（háng）精度，因此對產（chǎn）品配合安裝麵的加工精度有較高要求:兩側斜麵的（de）平麵（miàn）度和對（duì）稱度要求較高，下陷（xiàn）尺寸公差為 0． 01 ～ 0． 025。加工過（guò）程中局部去除餘量大且

不均勻，切削熱不易散出，原材料殘餘應力較大，易變形; 同時受零件厚度不均、裝夾不易和薄壁網格結構（gòu）的影響，切削時（shí）易振動，造成打刀（dāo）現象，難以保（bǎo）證舵芯的高（gāo）精度加工（gōng）要求。

3、工藝措施優化

針對上述加工難點，從全流程對產品輔助（zhù）工裝、加工流程及刀具切削參數進行了三方麵的改進。

3.1工裝優化

由於舵芯產品的外形麵為複合（hé）結構，在銑削、陷時無（wú）法通過外（wài）形複合麵（miàn）來進（jìn）行（háng）定位，傳統工裝（zhuāng）在設計（jì）時考慮通過虎鉗夾緊利用（yòng）零件下陷（xiàn）定位，如圖2 所示。

圖 2 傳（chuán）統輔（fǔ）助工裝（zhuāng）

在加工下陷特征的過程中，需（xū）保證兩側的對稱度，每次粗加工完成後都要反複（fù）測量外形不同位置的對稱度並重新裝夾找正。零件每裝夾一次，銑切工裝 A 也需要重新（xīn）安（ān）裝一次，以保證與零件斜（xié）邊一致，整個（gè）加工過程中零（líng）件和（hé）工裝裝（zhuāng）夾次數較多，過程繁瑣，加工周（zhōu）期（qī）長。同時，不同型號產品對應（yīng）的舵（duò）芯角度（dù）不同，在實際生產中需要針對不同角度設（shè）計各自專用的工裝，導致輔助工裝的通用性較差，無法進（jìn）行互換，降低生產成本。

基於（yú）上述問題，從零件結構特點出發，設計了如圖 3 所示的舵芯批產通用組合工裝［4，5］。定位塊兩個（gè）麵和舵芯兩（liǎng）個麵相互貼（tiē）合，夾具體底麵和舵芯底（dǐ）麵貼合從而實現舵芯的快速定位。舵芯的（de）夾緊主（zhǔ）要是（shì）通過楔形壓緊塊和（hé）固定塊共同完成的，通過定位銷將固定塊定位（wèi）於夾具體上（shàng），並利用壓（yā）板完成固定塊的固定，將楔（xiē）形壓緊塊沿固定塊導槽放入，楔形壓緊塊另一（yī）麵和舵芯（xīn）實現緊密（mì）貼合，通過螺栓和螺母將壓緊（jǐn）塊連接到夾具底座上。由於舵芯與楔（xiē）形壓緊塊接觸麵為斜麵，受力分解（jiě）得到三個（gè）方向的作用力，分別指向三個定位麵（miàn），從（cóng）而實（shí）現舵芯（xīn）的壓緊。改進後的工裝見圖 4。

圖3 舵芯（xīn）組合工（gōng）裝結構（gòu）

圖 4 改進後的（de）工裝

工裝結構主要（yào）由定位機構、夾緊機構和輔助支撐（chēng）機（jī）構三部分組成，結（jié）構設計緊湊，操作方便，可靠性高。和傳統的工裝相（xiàng）比，改進後的工（gōng）裝不受零件複合麵及斜邊角度的限製，一套工裝可完成多個型號舵芯的加（jiā）工，通用性強，能滿足多個型號舵（duò）芯批量生產的需要。

3.2 加工流程優化

舵芯產品是（shì）複雜結構件，在加工兩側（cè）下陷特（tè）征（zhēng）時，由於餘（yú）量較（jiào）大，精度要求高，需要進行粗銑和精銑，使用（yòng）傳統工裝定位，邊加（jiā）工邊測量校對，整（zhěng）個產品（pǐn）需（xū）完成 20 道工序，多次裝（zhuāng）夾找正導致（zhì）整個產品生產周期（qī）長，加工效率（lǜ）低。而且過多的（de）人為裝夾（jiá）、拆卸等操作使加工誤差增大，降低了產品的一次加工合格率，經（jīng）常需要返修（xiū），浪費大量人工和（hé）機床成本。

在新輔助工裝的配合（hé）下（xià），取消加工兩（liǎng）側下（xià）陷時的粗銑和精銑之（zhī）分，在一次裝夾狀態下利用五（wǔ）軸設備的（de） C 軸回轉功能完成對兩側下陷特（tè）征的（de）精加工。改進後的方法不需要通過原有的兩次協（xié）調來保證對稱度，隻需要通過機（jī）床 C 軸的精度來保證對稱度，排除人為誤差，保證產品一（yī）致性。合並傳統流程中的多道重複工序，最終將加工流程優化為如圖 5 所示的 11 道工序。

3. 3 刀具及切削參數選擇

刀具的選擇不僅影（yǐng）響到數控加工的效率，還直接（jiē）影響零件產品的質量。針對鈦合金這種難（nán）切削材料，大多采用 PCBN( 聚晶立方氮化硼) 刀（dāo）片、金剛石刀片、陶瓷刀具和硬質合金刀具等，都具備較高的硬度、耐磨性、耐熱性及足夠的強度和韌性。但是，前三種材料的刀具價格昂貴，且（qiě）在加工薄壁零件時易產生振動（dòng）現象，綜（zōng）合考慮經濟性和切削穩定性等情況，最終選擇 Y330( K30) 的硬質合金銑刀為（wéi）刀具材料，其屬於鎢（wū）鈷類硬質合金，亞細晶粒合金強度高韌性好、耐（nài）磨性適中且通用性強，適（shì）用於精加工高溫合

金（jīn）及鈦合金等（děng）。

圖 5 優化（huà）後的加工流程

由於鈦合金材料自身的特性，使刀片（piàn）刃口（kǒu）極易磨損，刀具磨損後會增大刀－件（jiàn）摩擦力，不僅影響工件（jiàn）表麵粗糙度質量，還會使（shǐ）切削（xuē）溫度升高，導致零件變形，大大降低了（le）刀具的壽命［9］。刀具磨損後需立（lì）即更換新刀片（piàn），易造成浪費。為了進一（yī）步提高加工效率，節省成本，采取對磨損（sǔn）刀片的重新刃（rèn）磨方法（fǎ），將同一把刀體上安裝的若幹刀片同（tóng）時刃（rèn）磨，保證刃口幾何尺寸及精度的（de）一致（zhì）性，從而使得磨損後的刀片再次利用。通過（guò）大量試驗確定的加工刀具參數（shù）見表 1。

表 1 加（jiā）工刀具參數

采用順銑可以最（zuì）大限度降低加工切屑瘤對銑刀的破壞以及切屑與（yǔ）切削刃的焊合程度，使（shǐ）用大量水溶性油以及氣相亞硝胺型防鏽液作為切削液可以達（dá）到較好的冷卻效果。考（kǎo）慮到零件（jiàn）內部的薄壁網格結構（gòu），切削過程中衝擊力較大時易產生振動造成打刀現象（xiàng）。經過多次試驗得到鈦合金切（qiē）削參數（shù）見表 2。

表 2 鈦合金切（qiē）削參數

4、結語（yǔ）

針對多種（zhǒng）型號舵（duò）芯產品加工過程中的難點，基於加工全流程設計出了一種通用性（xìng）較強的組合工裝，節省了大量裝夾、找正和測量時間; 針對（duì）鈦合金內部薄壁網格結構的焊接件，優化工藝流程，合理選用刀具（jù）參數，有效提高了舵芯批生產效率，縮短（duǎn）生產周（zhōu）期，降低了工人的勞動強度，實現了產品高（gāo）效、高精度的生（shēng）產。結果表明，該方法不僅能夠解決（jué）舵芯產品生產麵臨的諸多（duō）難（nán）題，而且對類似（sì）產品工藝流程設計（jì）具（jù）有重要參考價值（zhí），對新型產品的研製及批產提供了借鑒。

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