钛合金薄型多面体舵骨架及其加工方法与流程

本发明涉及空间飞行器舵骨架结构，特别涉及钛合金薄型多面体舵骨架及其加工方法。

背景技术：

为了适应现代航天型号产品轻质、高强的要求，若干新型号中采用了舵骨架焊接蒙皮的设计，以骨架蒙皮舵面保持飞行姿态和控制方向。舵骨架是其中的重要零件，零件材料为Ti6Al4V，是α+β钛合金的典型代表。该材料是在钛中加入以α相稳定元素Al，O，N，C为主的元素，同时又加入以β相稳定元素Mo，V，Cr，Fe，Si为主的元素所形成的合金，具有较好的综合力学性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形能力，切削加工温度高、刀具磨损剧烈、效率不佳。

舵骨架零件为薄板框架结构，外形轮廓尺寸约为400*65mm，最薄处厚度2mm，整体面型为角度斜面，型面上分布多个大小不一的减轻口框，材料整体去除量达70％以上，为典型弱刚性薄壁件，加工易变形。尤其是零件材料为钛合金，在切削时温度高，易产生热变形，从而加剧零件变形，影响产品表面质量及尺寸精度。舵骨架底部分布两组高精度深孔，长径比分别达19和31，内孔表面粗糙度要求1.6μm，孔径尺寸精度要求达到IT8级，两孔相对于面型中心平面对称度不大于0.05mm。此外两组深长孔被面型上的口框和缺口分割成3段，若采用断续切削，刀具尖端易发生偏移，孔径及形位精度难以保证。舵骨架零件无论是在产品质量保证还是加工效率上都无法满足科研生产任务需求。因此，在控制零件加工变形和保证加工质量的前提下，实现钛合金骨架薄型多面体零件高效率、稳定加工的制造方法是一项核心关键技术。

技术实现要素：

本发明解决的问题是现有钛合金骨架薄型多面体零件加工效率低、稳定性差；为解决所述问题，本发明提供钛合金薄型多面体舵骨架及其加工方法。

本发明提供的钛合金薄型多面体舵骨架的剖面为直角梯形，包括前缘斜面和斜型面，所述前缘斜面和斜型面分别包括关于直角梯形对称的两个斜面；所述斜型面的剖面为与舵骨架共直角腰的直角梯形，斜型面的上底小于舵骨架的上底。

进一步，所述斜型面下底上开有一个底部缺口；斜型面两个斜面上各开有凹型面，所述凹型面里开有减轻窗口。

进一步，所述减轻窗口的数量为9，底部缺口两侧各有一个减轻窗口。

进一步，所述舵骨架底部包括斜角，底部斜角与斜型面直线边由圆角连接。

进一步，所述斜型面的底面为长方形，所述前缘斜面的底面为三角形。

进一步，所述舵骨架底部最厚处为18mm，斜型面顶部最薄处为5mm，前缘斜面最薄处厚2mm。

本发明还提供所述的钛合金薄型多面体舵骨架的加工方法，包括：对钛合金毛坯进行粗加工，形成雏形；割除八个减轻窗口，底部缺口靠近直角边一侧的减轻窗口不切割；精加工，割除底部缺口靠近直角边一侧的减轻窗口。

进一步，形成雏形包括：

步骤1，将矩形钛合金毛坯板数控粗铣出轮廓外形，并预留出装夹工艺块，轮廓外形单边留有2mm精加工余量；

步骤2、数控精铣外形轮廓中的底面及底部中间工艺块两侧面；

步骤3、后表面粗糙度1.6μm，底面平面度0.05mm，作为后续加工定位基准；

步骤4，将零件平放装夹在工作台面上，数控粗铣厚度方向两侧前缘斜面，单边留有1mm精加工余量；

步骤5，数控粗加工底部斜角，单边留有1mm加工余量。

进一步，所述精加工，割除底部缺口靠近直角边一侧的减轻窗口包括：

步骤7、采用普通铣床修正零件四周工艺块，正反对称均匀去除余量，保证工艺块平面度不大于0.05mm，相较于型面中心平面对称度不大于0.1mm；

步骤8、去除毛刺；

步骤9、用专用斜面工装装夹，数控精铣厚度方向两斜型面；正反对称铣削两斜面需翻身装夹；

步骤10、用专用斜面工装装夹，数控精铣厚度方向两侧凹型面；正反对称铣削两凹型面需翻身装夹；

步骤11，将零件平放装夹在工作台面上，数控精铣厚度方向两侧前缘斜面；

步骤12，数控精加工底部斜角及与斜型面相接处过渡圆角；

步骤13，采用定制枪钻钻削加工零件底部高精深孔；

步骤14，割出零件部分外形；慢走丝线切割割出零件背部轮廓面及缺口、底部平面及缺口；

步骤15，快走丝线切割割除底部缺口靠近直角边一侧的减轻窗口；

步骤16，快走丝线切割割出前缘及顶部轮廓；

步骤17，挫修前缘及轮廓顶部棱边圆角；

步骤18，检验、油封、入库。

进一步，所述步骤13包括：

步骤A：以工艺块卧式装夹零件；

步骤B：以百分表测量工艺块平面度，并对零件进行调整，确保工艺块平面度不大于0.05mm；

步骤C：以红外线侧头探测工艺块上表面，并根据工艺块厚度尺寸将厚度方向零点设置在工艺块厚度方向中心平面；

步骤D：在深孔加工平面上以中心钻点钻定位，点钻深度1-1.5mm；

步骤E：麻花钻钻削加工引导孔底孔，孔深L＝2～3D，D为孔的直径；

步骤F：铰刀精铰引导孔至深孔公称尺寸；

步骤G：枪钻连续一次性钻削加工至深孔预定深度。

本发明的优点包括：

本发明提供的钛合金骨架薄型多面体零件的加工方法，通过在钛合金舵骨架零件批量生产加工的应用，具有以下积极效果：1、本发明采用以数控铣削、快走丝线切割、枪钻钻削、慢走丝线切割相结合的工艺手段，合理安排工艺流程、分配切削余量，有效控制零件加工变形、确保了零件最终精度，同时最大程度做到工序集中，有效减少工序数，缩短制造周期。2、本发明采用斜面专用工装夹具，通过定位销，零件斜型面正反加工均能快速准确定位，装夹方便快捷且准确性高。本发明所公开的制造工艺具有良好的稳定性和可靠性，达到了零件的设计精度要求，提高了零件的加工效率，降低了零件的制造成本，具有显著的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例提供的钛合金薄型多面体舵骨架加工方法工艺块预留示意图；

图2(a)为本发明实施例提供的钛合金薄型多面体舵骨架正视图；(b)为右视图；

图3为本发明实施例提供的钛合金薄型多面体舵骨架减轻窗口编号示意图；

图4为本发明实施例提供的钛合金薄型多面体舵骨架加工方法采用的专用工装结构示意图；

图5为本发明实施例提供的钛合金薄型多面体舵骨架加工方法前缘走刀轨迹示意图；

图6为本发明实施例提供的钛合金薄型多面体舵骨架加工方法流程图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。

如图1所示，舵骨架工艺块预留示意图。其材料为Ti6Al4V钛合金板，经三轴数控铣削零件外形轮廓最大尺寸为412x240xδ20mm，工艺块11伸出轮廓外形宽度为18mm，工艺块与零件厚度一致。零件底面及底部中间工艺块两侧面经精铣后作为后续加工定位基准面12。所述斜型面的底面为长方形，所述前缘斜面的底面为三角形。

如图2(a)，本发明实施例提供的钛合金薄型多面体舵骨架的剖面为直角梯形，包括前缘斜面22和斜型面21，所述前缘斜面22和斜型面21分别包括关于直角梯形对称的两个斜面；所述斜型面的剖面为与舵骨架共直角腰的直角梯形，斜型面的上底小于舵骨架的上底。所述斜型面下底上开有一个底部缺口29，右侧面有背部缺口28；斜型面21两个斜面上各开有凹型面23，所述凹型面23里开有减轻窗口26。如图2(b)所示，所述斜型面21侧面开有高精深孔27，所述舵骨架底部为斜角24，底部斜角24和斜型面之间通过过渡圆角25连接。

继续参考图2，舵骨架零件为钛合金薄板框架结构，外形轮廓尺寸约为400*65mm；所述舵骨架整体面型为角度斜面，由斜型面、前缘斜面、底部斜角等多部分组成，底部最厚处18mm，斜型面顶部最薄处5mm，前缘斜面最薄处厚度2mm；型面上分布多个大小不一的减轻口框，使这个零件材料去除量达70％以上，为典型弱刚性薄壁件。舵骨架底部分布两组高精度深孔，其中一个通孔孔径尺寸为长度约为230mm，长径比达19；另一个盲孔孔径尺寸为长度约为220mm，长径比达31，孔径尺寸精度要求为IT8级，内孔表面粗糙度要求Ra≤1.6m。两孔相对于面型中心平面对称度不大于0.05mm。此外，两组深长孔被面型上的口框和缺口分割成3段，其中底部缺口宽度尺寸公差要求0.054mm，缺口表面粗糙度Ra≤1.6m。

参见图3为舵骨架零件减轻窗口编号示意图，为了不影响零件底部深孔后续的加工，将零件内部第九减轻窗口9分为两次割除。在深孔加工前先去除第一减轻窗口1、第二减轻窗口2、第三减轻窗口3、第四减轻窗口4、第五减轻窗口5、第六减轻窗口6、第七减轻窗口7、第八减轻窗口8；减轻窗口，留有第九减轻窗口9以保证深孔加工的的基体材料是完整的，避免断续钻削引起的钻孔偏斜，确保深孔加工质量。待深孔加工完成后再去除第九减轻窗口9工艺块。

参见图4所示的舵骨架零件斜面专用工装结构示意图，该专用夹具具体包括底板31、第一定位销32、第二定位销33、第三定位销34。底板上根据零件斜型面斜角角度(单边)设置了2.27°装夹主斜面35，用于放置零件；制作了销孔，用于安装定位销，制作了M16螺纹孔，用于安装压板螺栓；制作了基准长槽36，用于测量调整工装放置位置。此外，由于零件放置在装夹主斜面上后呈一定斜角，无法在零件上直接探测设定Y、Z方向的零点，因此，在工装底板上设计制作了基准方槽，用于数控加工零点探测及设定。加工前，将工装底板放置在机床工作台面，以千分表测量基准长槽，确保工装平直度在0.02mm以内，调整好位置后四角以压板固定；再将零件放置于装夹主斜面上(角度)，通过1-3#定位销定位，再以压板压紧工艺块实现零件的固定。以数控机床红外线侧头测量基准方槽Y方向和Z方向所得数值计算出零件加工Y、Z向零点位置，并完成设置。

参见图5为舵骨架零件前缘走刀轨迹示意图，前缘斜面无论是粗加工方肩铣还是精加工球头铣均是以平行于前缘斜面的路径轨迹走刀切削，这样的走刀方式连续直线走刀距离最长，折返次数最短，切削效率较高，而且这样走刀每一段连续直线轨迹刀具仅是在X\Y平面运动，在Z方向无位移，粗加工后精加工余量相对均匀，同时能够减小刀具磨损，提高零件表面光洁度。

舵骨架零件的加工采用高精度三轴数控加工中心，最高转速8000rpm，主轴功率13千瓦，最大输出扭矩83KW，定位精度0.008mm，重复定位误差0.005mm。采用可转位硬质合金TiAlN涂层铣刀片进行斜型面的切削加工，具有良好耐高温性能，刀片前角15°、后角10°，具有更佳的耐冲击性，能够减小切削磨损，确保铁屑顺畅排出，实现了粗加工3mm切深，80％刀具直径且宽，精加工1mm切深，60％切宽的高效材料去除。加工过程采用切削油浇注，通过油液及时带走切屑及切削部位产生的热量，有效降低加工温度，减小零件热变形。同时切削油在切削过程中也能对零件加工表面及道具起到润滑保护作用，以获取更佳的表面光洁度，且可减小刀具磨损，延长刀具使用寿命。

最后采用慢走丝线切割一次性割出零件背部轮廓面及缺口、底部平面及缺口，从而保证零件底部缺口宽度0.054mm的尺寸公差要求，以及底部缺口中心与零件背部轮廓面间±0.05mm的距离尺寸公差要求，同时保证底部缺口面表面粗糙度Ra≤1.6m的要求。

舵骨架零件制造工艺流程图如图6所示。按如下步骤顺次进行：

步骤一，粗铣外形轮廓。将矩形钛合金毛坯板数控粗铣出轮廓外形，并预留出装夹工艺块，轮廓外形单边留有2mm精加工余量，工艺块预留位置如图1。

步骤二，精铣定位基准。数控精铣外形轮廓中的底面及底部中间工艺块两侧面，保证精铣后表面粗糙度1.6μm，底面平面度0.05mm，作为后续加工定位基准。

步骤三，粗铣型面。用专用斜面工装装夹，以方肩铣方式数控粗铣厚度方向两斜型面，单边留有1mm精加工余量。正反对称铣削两斜面需翻身装夹。刀具规格及切削参数如表1所示。

步骤四，粗铣前缘斜面。将零件平放装夹在工作台面上，以方肩铣方式数控粗铣厚度方向两侧前缘斜面，单边留有1mm精加工余量。正反对称铣削两前缘斜面需翻身装夹。走刀轨迹如图5所示。刀具规格及切削参数表1所示。

步骤五，粗铣底部斜角。以方肩铣方式数控粗加工底部斜角，单边留有1mm加工余量。正反对称铣削两斜角需翻身装夹。刀具规格及切削参数表1所示。

步骤六，割除部分口框。快走丝线切割割除图3所示的1-8#减轻口框。

步骤七，修正工艺块。采用普通铣床修正零件四周工艺块，正反对称均匀去除余量，保证工艺块厚度，平面度不大于0.05mm，相较于型面中心平面对称度不大于0.1mm。

步骤八，去除毛刺。钳工去除铣后毛刺。

步骤九，精铣型面。用专用斜面工装装夹，以方肩铣方式数控精铣厚度方向两斜型面。正反对称铣削两斜面需翻身装夹。刀具规格及切削参数表1所示。

步骤十，精铣凹型面。用专用斜面工装装夹，以方肩铣方式数控精铣厚度方向两侧凹型面。正反对称铣削两凹型面需翻身装夹。刀具规格及切削参数表1所示。

步骤十一，精铣前缘斜面。将零件平放装夹在工作台面上，以球头铣方式数控精铣厚度方向两侧前缘斜面。正反对称铣削两前缘斜面需翻身装夹。走刀轨迹如图5所示。刀具规格及切削参数表1所示。

步骤十二，精铣底部斜角。以球头铣方式数控精加工底部斜角及与斜型面相接处过渡圆角。正反对称铣削两斜角需翻身装夹。刀具规格及切削参数表1所示。

步骤十三，钻削深孔。采用定制枪钻钻削加工零件底部高精深孔(孔径精度要求IT8级)。切削参数如表2所示。

所述步骤十三具体包括以下七个步骤：

步骤A：以工艺块卧式装夹零件。

步骤B：以百分表测量工艺块平面度，并对零件进行调整，确保工艺块平面度不大于0.05mm。

步骤C：以红外线侧头探测工艺块上表面，并根据工艺块厚度尺寸将厚度方向零点设置在工艺块厚度方向中心平面。

步骤D：在深孔加工平面上以中心钻点钻定位，点钻深度1-1.5mm。

步骤E：麻花钻钻削加工引导孔底孔，孔深L＝2～3D。

步骤F：铰刀精铰引导孔至深孔公称尺寸。选用铰刀刃部直径精度要求IT4。

步骤G：枪钻连续一次性钻削加工至深孔预定深度。

步骤十四，割出零件部分外形。慢走丝线切割割出图1所示零件背部轮廓面及缺口、底部平面及缺口。

步骤十五，割除剩余口框。快走丝线切割割除图3所示9#减轻口框。

步骤十六，割出零件剩余外形。快走丝线切割去除工艺块，割出图1所示前缘及顶部轮廓。

步骤十七，去除毛刺、挫修圆角。钳工去除所有毛刺，挫修前缘及轮廓顶部棱边圆角。

步骤十八，检验、油封、入库。

表1数控铣削加工切削参数

通过采用本发明的机械加工工艺和专用工装夹具，在舵骨架的实际加工中进行应用，零件加工变形得到有效控制，加工出的舵骨架表面质量较好，无论是型面还是深孔特征，高精度要求尺寸均得到有效保证。该零件的加工工艺具有良好的稳定性和可靠性，加工效率得到大幅提高，零件加工质量完全符合设计要求

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。