發布日期：2026-1-6 11:17:12
引言
鈦合金因其高強度､高硬度､低密度以及良好的綜合性能，在航空工程中被廣泛使用｡然而，鈦合金零件的彈性模量相對較低，例如 TC4 的彈性模量僅為普通鋼的一半，這導致在加工過程中零件容易發生彈性變形，從而影響加工質量 [1]｡鈦合金的導熱性差､塑性低､硬度高，這些特性使得其加工難度較大｡在粗加工階段，材料去除率較低，而在精加工階段，高速切削難以實現，這些都限制了加工效率｡因此，在鈦合金零件的加工過程中，合理安排加工流程､規劃刀具軌跡以保持加工剛性，以及合理選擇切削刀具和切削參數，對于提高鈦合金零件的加工效率至關重要 [2-4]
目前針對鈦合金框的加工技術研究雖相對較少，但在大型單面框零件加工技術方面仍取得了一些有價值的成果｡在刀具材料的研發上，新型硬質合金刀具與涂層技術的結合，顯著提升了刀具的耐磨性和耐熱性，能更好地適應鈦合金的加工特性｡例如，通過在硬質合金刀具表面涂覆多層高性能涂層，如 TiAlN 等，有效減少了刀具與鈦合金之間的摩擦和磨損，延長了刀具壽命，間接提高了加工效率 [4]｡在加工工藝優化方面，采用多軸聯動加工技術，能夠在一次裝夾中完成多個復雜面的加工，減少了裝夾次數和定位誤差，大大提高了加工精度和效率｡同時，借助先進的計算機輔助制造 (CAM) 軟件進行刀具軌跡規劃和加工過程仿真，提前預測加工過程中可能出現的問題，如干涉､碰撞等，并進行優化調整，確保加工過程的平穩性和可靠性 [6]｡此外，對于切削參數的優化，一些研究通過建立鈦合金切削過程的數學模型，結合實際加工試驗，確定了針對不同加工階段的最佳切削速度､進給量和切削深度組合，使得材料去除率在粗加工階段得到有效提升，精加工階段的加工質量也得到更好保障，為大型鈦合金單面框零件的高效高精度加工提供了有力支撐 [7]
本文以某機型大型單面框的加工優化為例，從以下幾個方面進行探究：在加工流程安排上，需要考慮如何通過合理的工序劃分､加工順序安排和增強工藝系統剛性來減少加工變形，提高加工精度｡例如，可以采用分段加工､分層去除材料､增加壓緊點等方式，以增強系統剛性，減少單次加工的切削力，從而降低零件的彈性變形｡在刀具軌跡規劃方面，需要利用先進的 CAM 軟件進行仿真，以確保刀具路徑的合理性，避免不必要的空走刀和重復加工，減少加工時間｡同時，合理的刀具軌跡規劃可以有效分散切削力，減少加工過程中的振動，提高加工表面質量 [8]｡在刀具選型和加工參數選擇方面，在粗加工階段，需要根據零件的具體結構，選擇合適直徑的刀具，采用高速切削策略來進行加工｡例如，根據零件的加工特點，采用大徑和小徑刀具配合加工的方式，可以有效地提高加工效率｡在精加工階段，將傳統的軸向分層加工轉變為徑向分層加工，確保零件尺寸精度和表面光潔度｡
通過對加工流程的合理安排､刀具軌跡的精細規劃､刀具選型的科學決策以及切削參數的優化設置，可以有效提升鈦合金大型單面框零件的加工效率和加工質量，滿足航空領域對高性能零件的需求，為鈦合金單面框類零件的加工提供工藝優化和加工提效思路｡
1、零件簡介
鈦合金大型單面框零件是航空工程中一種重要的結構件，具有尺寸大､形狀復雜､精度要求高等特點｡該零件通常由鈦合金材料制成，具有高強度､高硬度和良好的耐腐蝕性，能夠滿足航空領域對零件性能的高要求｡然而，由于其尺寸較大，且形狀復雜，加工難度較大，對加工技術和設備的要求也較高 [9]
零件材料 TC4, 毛料尺寸 2900mm×600mm×65mm, 零件凈尺寸 2764mm×483mm×50mm, 材料去除率達 96.5%｡零件一面為槽腔，另一面除一處下陷都為平面，基本等同于單面零件｡零件腹板厚度為 2mm､2.5mm､3mm､4mm 等，其中 2~3mm 腹板占總面積的 80% 以上；端頭懸臂立筋筋厚 4mm､筋高 47mm｡零件結構示意如圖 1 所示｡
2、總體流程的優化
在原始的加工流程中，鈦合金大型單面框零件的加工存在諸多不足，如加工效率低下､質量不穩定等問題｡為了解決這些問題，本研究對加工流程進行了全面的優化｡
2.1 優化前工藝流程
在熱處理工序完成后，對工件的上下基準面進行加工時，需反復進行翻轉操作｡鑒于工件的尺寸龐大､重量較重，翻轉過程存在一定的困難，且裝夾過程繁瑣，這將導致設備的無效占用時間增加｡鑒于工件的基準面僅存在一處輕微下陷，且該下陷對槽腔面的影響較小，故可選擇僅銑削一側的基準面以滿足加工要求 [10]｡
2.2 完善后的加工流程
經過優化后，減少了工件翻轉與夾緊的頻次，顯著降低了設備的非生產性占用時間，同時減輕了操作人員的勞動強度，并且有效提升了機床的使用效率｡
3、粗加工的優化
粗加工階段是迅速去除原材料多余部分的關鍵過程，其優化的核心在于，在全面考量精加工策略的基礎上，最大限度地提升加工速率｡當前的加工方案耗時 11 天，周期顯得過于冗長，經過優化后，預期可節省 40% 的時間｡
3.1 粗加工加工內容的優化
原方案粗加工完的效果圖如圖 4 所示｡
在粗加工階段，未對筋高進行完全加工，其優勢體現在熱處理后銑削基準面時提供了良好的支撐作用｡然而，其缺陷在于精加工時預留的余量過大，且在單獨加工筋高時，由于斷續加工導致的振動較大，這不僅降低了加工效率，還加劇了刀具的磨損｡因此，在粗加工階段，建議對部分筋高進行加工，特別是對于需要采用行切方式加工的斜筋高｡
優化后粗加工完的效果圖如圖 5 所示｡
粗加工時將部分筋高余量去除，其余筋高不加工，以便熱處理后銑基準面時起支撐作用｡零件端頭腹板處矩形減輕孔處留工藝凸臺，精加工槽腔面時在此處增加工藝凸臺，增加一處壓緊點，以降低震顫｡加工內容的優化更多的是為精加工考慮，更容易保證精加工質量，使得更改后方案材料去除量較更改前更大，為減少加工時間，需著重在刀具選型､參數設置和軌跡方面進行優化 [11]｡
3.2 刀具選型及切削參數優化
優化前使用刀具及切削參數如表 1 所示｡
表 1 優化前刀具及切削參數
| 刀具 | 切寬 aₚ/mm | 切深 aₑ/mm | 線速度 Vf/(m/min) | 每齒進給量 f_z/mm | 程序仿真總時間 /h |
| 快進給 ϕ40R1 | 28 | 1 | 37 | 0.6 | 52.8 |
| 方肩機夾刀 | 32 | 1 | 40 | 0.18 | 26.6 |
采用 ϕ40R1 徑向進給刀具進行余量排屑，鑒于工件面積較大以及部分槽腔空間寬敞，優化策略應首先考慮將大徑和小徑刀具的使用進行分離｡當前的切削參數設定較為保守，因此，建議適當提升切削參數以提高加工效率｡
優化后使用的刀具及切削參數如表 2 所示｡
表 2 優化后刀具及切削參數
| 刀具 | 切寬 aₚ/mm | 切深 aₑ/mm | 線速度 Vf/(m/min) | 每齒進給量 f_z/mm | 程序仿真總時間 /h |
| 快進給 ϕ63R1 | 40 | 0.6 | 50 | 0.8 | 20 |
| 快進給 ϕ40R1 | 28 | 0.6 | 50 | 0.8 | 7 |
| 方肩機夾刀 ϕ32R3 | 18 | 2 | 40 | 0.18 | 1.5 |
在 ϕ35R1 快速進給刀具用于加工封閉型槽時，由于采用單層刀具路徑，導致排屑不暢，同時不利于冷卻液的流通｡此外，該刀具的線速度和每齒進給量相對較低｡相比之下，其他刀具在更高的切削參數下進行作業｡特別是 ϕ63R1 快速進給刀具，在總加工時間中占據了超過 62% 的比例，承擔了大部分材料的去除工作，顯著提高了加工效率｡
3.3 刀具軌跡優化
刀具路徑的規劃應當追求簡潔性與高效性，并需深入考量刀具的切削性能以及加工環境對刀具所產生的影響｡
以粗加工小槽腔余量為例，初始的刀具路徑設計為四層刀路，沿軸向逐層退刀和進刀，導致加工效率低下｡此外，由于刀具的斷續切削模式，刀具磨損問題加劇｡經過優化，新的刀具路徑采用螺旋銑削技術，僅需兩層徑向刀路，實現了刀具的連續切削｡這種改進不僅提高了加工效率，而且使刀具的切削性能得到了充分的發揮｡
以卸料為例，原方案由于未加工筋高，卸料需加工槽深 55mm, 排屑不利，為避免夾屑造成刀具損壞，徑向分兩層刀路｡優化后方案由于筋高已加工，槽深 20mm, 排屑順暢，沒有刀具損壞風險，因此選用單層刀路，加工時間減少一半｡
優化后粗加工時間縮短到 6d, 達到了既定時間縮短 40% 的目標｡
4、精加工的優化
在提升產品質量的同時，優化精加工過程的核心目標是提高加工效率｡當前面臨的挑戰主要包括加工過程中腹板的顯著振動､尺寸精度難以控制以及表面光潔度不佳；由于零件變形導致腹板加工時余量分布不均，通常需要多次加工以確保精度，從而降低了加工效率；在加工筋高時，振動加劇和刀具磨損嚴重｡在優化前，精加工周期為 10 天，優化后預計可節省 40% 的時間｡
對于單面加工零件，由于材料去除和應力分布的不均勻性，導致變形量較大｡熱處理去應力退火后，零件的最終狀態存在不確定性｡為確保精加工腹板時余量充足，避免因變形量過大而導致腹板加工超差，銑基準面時要求全面見光｡因此，在翻面加工腹板時，腹板各處的余量根據零件變形量的不同而有所差異，并非完全依據粗加工預留的余量狀態，余量分布不均，導致腹板程序需多次執行，嚴重影響加工效率｡
為解決上述問題，本研究采用快進給刀具編制軸向單層刀路程序｡工人可根據零件變形量和銑基準面時的切削量來決定程序執行的次數，目的是將腹板加工至粗加工后的理論狀態｡采用快進給軸向單層刀路程序，每次耗時 20min, 按最大變形量 3mm 計算，最多執行 3 次程序，耗時 60min 即可達到理論狀態，總耗時 1h, 相較于原半精加工腹板程序的 8h, 節省了 7h｡
針對腹板厚度小､面積大､加工時易產生振顫､尺寸精度難以保證的問題，在腹板減輕孔處設置工藝臺，如圖 11 所示，有效減少了振顫｡在精加工腹板時，刀路從中心向四周排布，并加密刀間距，有效改善了腹板尺寸的精度｡原加工方案在精加工筋厚時采用軸向分層的切削方式，不僅加工效率低，而且未能充分利用整體硬質合金刀具的切削刃｡優化方案采用徑向分層方式，充分利用切削刃長度，提高刀具利用率的同時也提升了加工效率｡此外，由于立筋壁厚一次形成，表面無接刀差，光潔度得到顯著提升｡
優化后精加工時間為 6d, 達到了既定時間縮短 40% 的目標｡
5、結束語
在對鈦合金大型單面框零件的加工工藝進行優化的基礎上，本文旨在探討鈦合金大型單面框的加工技術，并得出以下結論｡
在粗加工階段：首先，針對不同加工部位，應優先選擇直徑較大的刀具，并實施高速切削策略，以提升材料的去除效率；其次，鑒于鈦合金較差的導熱性能，深槽腔加工過程中需充分考慮排屑和冷卻問題，避免采用單層刀路進行深度滿刀加工，以防刀具過熱導致劇烈磨損；最后，減少無效刀路的使用，以提高加工效率｡
在精加工階段：首先，應合理規劃工藝流程，確保在零件各加工部位的剛性達到最佳狀態時進行加工；其次，適當增加壓緊點以增強工藝系統的剛性，減少震顫，確保零件尺寸精度和表面光潔度；第三，針對筋厚部分的加工，應充分利用刀具的切削刃，將傳統的軸向分層加工轉變為徑向分層加工；最后，精加工前應先處理轉角部位，以避免余量突增導致刀具損傷｡
參考文獻
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作者簡介
洪培強 (1987-), 男，福建廈門人，工程師，主要從事航空行業刀具制造與零部件的加工工藝研究｡
（注，原文標題：鈦合金大型單面框零件加工技術研究）