铝合金小型模锻件角盒的加工方案

研究了小型模锻件角盒的加工方案，从难点分析、方案设计、工艺准备、加工工艺等方面进行了综合论述。通过选择合适的数控设备和装夹方式，制定数控加工路线和难点解决方案，实现优质高效的数控批量加工。

1前言

在航空钛合金加工领域，70%以上的小零件(定义为轮廓最大尺寸≤200mm)采用模锻技术制成毛坯。如何用先进的数控加工代替陈旧的常规加工，实现小型模锻件的高效率、高质量数控加工，已成为当前钛合金加工面临的主要问题。

2模锻件的结构分析和技术要求

2.1模锻件的结构分析

图1所示模锻件的最小余量为左轮廓，约为4mm与样板对比后。最大余量在内形底角，对比部分数模测量约22mm。模锻件拔制角度为8°，端部留量为上下4 ~ 12 mm。余量不均匀，属于典型的不规则模锻件。

2.2零件的技术要求

零件材料为TA15 M，外形尺寸为64mm×152mm×44mm。腹板两侧为双曲面，厚度分别为3.1 ~ 3.25毫米和2.1 ~ 2.2毫米；分别是；边缘厚度分别为2mm、3mm和4mm。除4mm处公差为0.15mm外，其他公差均为0.12mm，是典型的薄壁角盒零件。

2.3零件的结构可制造性分析

零件的结构可制造性分析是指在满足使用要求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[1]。该零件的结构可制造性分析如下。

1)内槽与凸缘之间的转角和内槽与腹板之间的底角决定了刀具的选择，将直接影响零件的加工工艺。如图2所示，零件底角和拐角的尺寸有R4mm和R8mm两种规格，拐角也有R4mm和R8mm两种规格。由于边角和底角的规格不统一，不可能用单一规格的刀具完成精加工。在后续的工序安排中，刀具的选择要结合加工方案充分考虑。

2)零件形状有很多双曲面，腹板有尖角，三坐标加工困难。即使通过编程指令实现加工，零件的表面质量也比较差，加工效率也会受到影响。且零件局部厚度< < 3mm，属于薄壁零件。与三坐标线切割相比，五坐标摆刀加工能更好地保证零件的厚度要求，在后续设备选型时应充分考虑。

3)毛坯结构应便于夹紧和加工。通过分析角盒毛坯的特点，发现两边余量不均匀，高边的轮廓余量为4 ~ 12mm，预留的加工凸台至少需要3mm(压点位置)加上用于切割凸台的刀具直径值。显然空白边不符合预留boss的条件。如果使用压制件进行加工，在加工过程中需要多次移动压板，以避开铣刀。而零件自重较小，多次移动压板夹紧必然导致零件移动，严重影响零件的加工稳定性，存在较大的安全风险。观察毛坯，不属于典型的方形或六边形零件，用虎钳加工的可能性极低。因此，只能通过修改锻造模型或焊接添加剂来增加工艺耳片，实现稳定、便捷的装夹加工，并充分考虑后续装夹方式的选择。

3数控加工路线

根据零件的技术要求和结构特点分析，本着机床周转次数最少、加工工序最少的原则，选择五轴立式加工中心进行加工，这样可以约束整个加工过程在同一台机床上完成，通过前后工位的工序安排，实现所有零件的数控加工，最大限度地减少装夹和周转次数，更好地保证零件的尺寸精度，提高整体效率。

按照“先面后孔、先粗后精、先主后次、先基”的原则，初步制定了角盒零件的数控加工工艺流程，如表1所示。

4工艺难点及解决方案

围绕数控加工路线和零件结构的工艺性分析，确定加工细节，主要内容如下。

1)工艺准备阶段主要解决夹紧定位问题，创新氩弧焊增加夹紧定位用凸台。

在选择焊接方法和焊片结构时，主要考虑焊缝强度和热影响区两个因素。在满足强度要求的情况下，工艺耳片的厚度应尽可能小，以便于后续切割。角盒零件的外形尺寸小于250毫米。根据之前焊接试验的结论，设置两个10mm厚的工艺吊耳即可满足强度要求。根据现场夹具尺寸，一般为50mm，基准孔直径加上切掉吊耳的刀具直径约为30mm，吊耳尺寸为50mm×35mm×δ10mm。工艺耳片采用单边V型坡口，坡口深度4mm，焊接电流100A，此时10mm的工艺耳片可以完全焊接，零件侧面热影响区约3.5 ~ 4.2 mm，毛坯余量满足要求。焊接形式如图3所示。由于工艺焊片的位置精度要求低，手工氩弧焊操作简单，是焊片焊接的首选。

通过增加工艺凸耳，在凸耳上钻两个φ12mm的基准孔，可以满足数控加工中一面两孔快速装夹定位的要求。而且每道工序只需一次装夹即可完成加工，有效保证了零件的尺寸精度和表面质量。焊接凸台如图4所示。

2)粗加工主要是去除多余余量，对表面质量和尺寸精度要求较低，为了减少刀具损耗，保持机床稳定，主要利用铣削[2]；半精加工的目的是去除粗铣后的残渣，去除大量的局部边角，尽量保证均匀的精加工余量，判断零件的变形和装夹是否合格。精加工的目的是按照设计要求将所有尺寸加工到位，同时保证零件的加工表面质量达到最佳水平。在切割过程中容易造成划痕和刀口，所以必须控制加工速度，低速进行[3]。根据以上原则，角盒零件数控加工过程中的刀具排列和加工策略如表2所示。

根据上述分析方案，粗铣采用Z向分层策略。因为零件的轮廓尺寸小，余量小，所以可以直接用φ20mm的刀具进行粗铣，和大直径刀具的粗铣效率相差无几，而且后期不用清理边角，提高了加工效率。针对内角和底角有R8mm和R4mm规格的问题，用D20R4刀具精铣，再用D8R4刀具切削修复R4mm角和R8mm底角，达到零件完全数控加工的目的。对于双曲面结构，采用线切割策略加工到位，残留高度设置为0.01mm，满足表面粗糙度值RA = 3.2 μ m的设计要求。

5结束语

在RAMMATIC 1001五轴立式加工中心上完成了角盒零件的数控加工，体现了五轴联动加工的优越性。通过创新性地使用焊接工艺耳片的装夹方式，完美实现了小型模锻件在数控加工中的快速定位和装夹。后续刀具、编程策略和加工顺序的合理安排和选择，实现了稳定、优质、高效的加工，对类似零件的数控加工具有一定的借鉴意义。