编者按
对整体结构梁原加工方案进行分析，针对各项弊端问题提出优化改进方案和解决措施，改进机床夹具、刀具量具和加工参数，归纳零件的数字化制造过程，总结出一套适用于相似件的优质高效数字化加工方法。
1序言
钛合金因其密度小、比强度高及耐腐蚀性强等特点，近年来在航空制造业中得到了广泛的应用。然而实际加工中，由于钛合金弹性模量小、化学活性高等材料特点，极易造成回弹严重、刀具寿命短及切削效率低等问题，降低了钛合金的可加工性。
某整体结构梁是某方向舵结构主要承力部件，属于典型的钛合金腹板梁类结构零件，双面槽腔、窄槽、耳片及配合槽口等复杂结构众多，为典型的AB面加工零件。实际加工中，毛料为模锻件，均匀余量3mm，加工周期15天，表面质量差，尺寸精度质量风险高，需合理优化改进现有加工方案，从而实现优质高效加工。
2整体结构梁结构及加工中存在的问题
整体结构梁零件外廓尺寸为mm×mm×mm，材料为钛合金，为典型腹板梁类结构，其局部特殊结构如图1所示。
a）左侧槽腔结构
b）梁中部多耳片
c）右侧端头
图1整体结构梁局部特殊结构
该整体结构梁原需三坐标立式铣床、五坐标立式铣床、常规铣床、钳工和镗工等共5个工序重复周转加工，其加工流程为：三坐标立式铣床→五坐标立式铣床→钳工→三坐标立式铣床→五坐标立式铣床→铣工→钳工→镗工。
分析原加工流程及加工后的零件实物，主要存在3方面问题。
（1）加工周期长 加工时间长、周转多，周期高达15天。
（2）表面质量差 腹板转角处接刀棱0.3～0.5mm；铣工接刀棱明显，铣工加工部分与数控接刀棱0.5～1mm。
（3）尺寸精度差 加工窄槽口刀具崩齿严重，经常损坏表面；耳片间距尺寸加工不稳定。3问题研究及改进措施
3.1 针对加工周期长的问题
该零件整体加工周期长达15天，详细分析零件各环节加工时间（见表1），粗加工时间7天，精加工时间2.5天，周转等待时间共3.5天，钳工1天，铣工0.5天，镗工0.5天，时间主要损耗在粗加工和周转等待上。
据此，主要从2方面制定改进措施。
（1）优化粗加工程序 研究原粗加工程序，其编制应用的毛料为余量5mm的B状态锻件，而目前实际加工使用的毛料是改进后的3mm余量的B状态锻件，原程序空走刀比例高达40%～50%，而现有钛合金加工刀具已经更新，原φ63mm规格的可换刀片铣刀进给速度mm/min已经无法满足现需求，据此进行如下改进：①对粗加工程序进行优化，重新编制两面粗加工浅切程序，识别毛料由原5mm余量模锻件改为现有的3mm余量模锻件。②优化φ63mm规格可换刀片铣刀的浅切粗加工参数，进给速度由mm/min提升为mm/min，转速同步更改为r/min。
检验改进后的程序，其运行时间由原来的h缩减至68.4h，时间缩短极为显著，效率提升明显。
（2）优化工序安排，减少周转 详细分析加工流程，以规整流程、减少周转为目标：①目前由于数控加工五坐标设备已非瓶颈设备，故将原三坐标加工程序转至五坐标设备加工，并将部分粗加工程序重新利用五轴编程，减少空走刀。②将原30工序钳工中加工的基准孔及倒角加工，转至20工序五坐标立式铣床加工，新编数控加工程序，加工时间约2h。
梳理后，加工流程明显缩减，改进后的流程为：五坐标立式铣床→铣工→钳工→镗工。
统计改进后的加工周期，约为：1＋1＋2.8＋1.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＝9.3（天），周期缩短近40%，基本满足了目前该尺寸规格零件的加工周期计划。
3.2 针对表面质量差的问题
零件表面质量差主要体现在2个方面：腹板表面质量差和铣工接刀棱明显。在机械加工过程中，零件加工表面质量对零件配合性能、疲劳性能、磨损性能和使用寿命有很大影响，必须重视并解决。针对2个问题，分析其原因并制定解决措施如下。
（1）腹板表面质量差 该整体结构梁类属于典型的槽腔梁类零件，腹板表面是零件表面的主要组成部分，以往数控加工完成后，钳工需根据腹板切伤处深度打磨整个腹板，以保证腹板表面要求的平面度≤0.1mm，影响了腹板的表面质量和性能。对比实物情况及刀具轨迹，发现所有腹板切伤均是在拐角处产生的，分析原因为拐角处刀轴急停变向产生颤动，导致腹板切伤。为此，提出在拐角处增加圆弧的方案进行改进，改进前后的刀具轨迹如图2所示，加工后的实物效果对比如图3所示。
a）原刀具轨迹（直接拐点）
b）新刀具轨迹（圆弧拐点）
图2 腹板加工刀具轨迹
a）优化前实物效果b）优化后实物效果
图3 实物效果对比
该方法适用于几乎所有槽腔零件腹板的精加工，能够有效避免刀轴急停颤动造成的腹板切伤问题，大幅改善了零件腹板机械加工后的表面质量，实现了腹板数控加工后的零打磨。
（2）铣工接刀棱明显 分析铣工加工表面与数控加工表面形成接刀棱的主要原因，是因为铣工精度无法达到数控精度级别，为保证零件表面不发生切伤，刻意预留部分余量，导致与数控加工表面无法接平，产生较大接刀棱。
常规加工的此项劣势目前无有效措施可以解决，依据最优解原则，初步计划将常规加工部分（补铣槽口、切断全部凸台两处工作量）仅保留部分凸台连接筋切除，其余均转换为五坐标数控加工。
构建凸台连接筋，保证其在满足测量及镗孔强度要求情况下，尽量短和薄，优化后，凸台连接筋如图4所示，四周全部新编数控程序切削，两侧留绿色较薄连接筋后续常规铣削，实现了常规加工面积最小，从而减少接刀棱范围的目标。
a）左侧凸台
b）中部凸台
c）右侧凸台
图4 凸台及其连接筋
槽口位置如图5所示。数控精铣槽口部分，原槽口因高度尺寸大、槽口距离小，仅能使用现有的φ8mm整体硬质合金刀具加工，因刀具直径小、刚性差，加工槽口让刀严重，槽口顶部、底部差值超过0.5mm，致使槽口尺寸保证困难。据此，根据槽口尺寸14.1mm特性，申请采用φ13mm的非标铣刀加工槽口。
图5 槽口位置示意
使用新铣刀加工槽口，刀具刚性显著提升，数控加工后槽口顶部和根部尺寸差值不超过0.05mm，实现了槽口稳定、高效的数控加工，取消了常规铣削补加工槽口工步，规避了常规加工槽口形成大量接刀棱的问题。
3.3 针对尺寸精度差的问题
零件尺寸差主要体现在2个方面：槽口刀具崩齿损坏表面，导致耳片间距尺寸不稳定。尺寸精度要求是设计要求中最为重要的技术条件，理论上稳定批量生产加工零件不允许出现影响尺寸精度要求的元素。针对2个问题，分析其造成原因并制定解决措施如下。
（1）耳片间距尺寸不稳定 通过前述申请采用专用非标刀具，优化数控程序，已经实现了耳片间距尺寸的稳定加工，该问题得以解决。
（2）槽口刀具崩齿损坏表面 原工艺在粗铣中部耳片间距槽口时，使用B1-（φ16mm铣刀）径向分层轴向满刀的加工方式，下刀深43mm，径向分层间距1mm，进给速度72mm/min，但实际过程中经常出现打刀现象，经分析发现原有加工方式在进出刀过程中加工余量较大，加之轴向满刀加工，易对刀刃产生较大磨损，从而产生折刀现象，损伤槽口表面。
据此，引入圆弧铣切工艺方法，依然采用径向分层轴向满刀的加工方式，但自始至终均采用弧形加工轨迹，径向分层间距0.8mm，进给速度80mm/min。工艺优化前后加工轨迹对比如图6所示。弧形加工轨迹进出刀相互覆盖，使刀具加工余量保持均匀，提高了刀具加工稳定性。虽然因层间距减小导致加工轨迹增加，但此种加工方法进给速度提高且无需转角降速，从总体上看达到了减小刀具损耗且不增加加工时间的效果，最为重要的是避免了刀具崩齿现象的发生，有效保证了槽口的表面质量。
a）优化前刀具轨迹b）优化后刀具轨迹
图6 工艺优化前后加工轨迹对比
4工艺实施效果
工艺解决措施全面实施后，取得显著效果，具体如下所述。
1）加工周期由15天减少至9.3天，周期缩短近40%。
2）腹板表面质量显著提升，铣工接刀棱消除90%，钳工打磨工作量减少约70%，大幅提升了零件表面质量。
3）耳片间加工改为数控加工，提升加工稳定性；新的圆弧分层加工工艺方法实现了槽口稳定切削，大幅降低质量风险。
5结束语
零件的结构工艺分析，是指在满足使用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。围绕某整体结构梁零件结构进行工艺方案和加工策略的优化改进，使得零件加工效率和产品质量得到了显著提升，为后续优质高效批量生产加工该零件提供了有力的技术支持和保障。
本文发表于《金属加工（冷加工）》年第3期第30~33页，作者：航空工业沈飞（集团）有限公司 孙国雁，张旺，赵军，原标题：《某整体结构梁加工方案的优化改进》。
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