本發明涉及空間飛行器舵骨架結構，特別涉及鈦合金薄型多面體舵骨架及其加工方法。

背景技術：

為了適應現代航天型號產品輕質、高強的要求，若干新型號中采用了舵骨架焊接蒙皮的設計，以骨架蒙皮舵面保持飛行姿態和控制方向。舵骨架是其中的重要零件，零件材料為Ti6Al4V，是α+β鈦合金的典型代表。該材料是在鈦中加入以α相穩定元素Al，O，N，C為主的元素，同時又加入以β相穩定元素Mo，V，Cr，Fe，Si為主的元素所形成的合金，具有較好的綜合力學性能，組織穩定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形能力，切削加工溫度高、刀具磨損劇烈、效率不佳。

舵骨架零件為薄板框架結構，外形輪廓尺寸約為400*65mm，最薄處厚度2mm，整體面型為角度斜面，型面上分布多個大小不一的減輕口框，材料整體去除量達70％以上，為典型弱剛性薄壁件，加工易變形。尤其是零件材料為鈦合金，在切削時溫度高，易產生熱變形，從而加劇零件變形，影響產品表面質量及尺寸精度。舵骨架底部分布兩組高精度深孔，長徑比分別達19和31，內孔表面粗糙度要求1.6μm，孔徑尺寸精度要求達到IT8級，兩孔相對于面型中心平面對稱度不大于0.05mm。此外兩組深長孔被面型上的口框和缺口分割成3段，若采用斷續切削，刀具尖端易發生偏移，孔徑及形位精度難以保證。舵骨架零件無論是在產品質量保證還是加工效率上都無法滿足科研生產任務需求。因此，在控制零件加工變形和保證加工質量的前提下，實現鈦合金骨架薄型多面體零件高效率、穩定加工的制造方法是一項核心關鍵技術。

技術實現要素：

本發明解決的問題是現有鈦合金骨架薄型多面體零件加工效率低、穩定性差；為解決所述問題，本發明提供鈦合金薄型多面體舵骨架及其加工方法。

本發明提供的鈦合金薄型多面體舵骨架的剖面為直角梯形，包括前緣斜面和斜型面，所述前緣斜面和斜型面分別包括關于直角梯形對稱的兩個斜面；所述斜型面的剖面為與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。

進一步，所述斜型面下底上開有一個底部缺口；斜型面兩個斜面上各開有凹型面，所述凹型面里開有減輕窗口。

進一步，所述減輕窗口的數量為9，底部缺口兩側各有一個減輕窗口。

進一步，所述舵骨架底部包括斜角，底部斜角與斜型面直線邊由圓角連接。

進一步，所述斜型面的底面為長方形，所述前緣斜面的底面為三角形。

進一步，所述舵骨架底部最厚處為18mm，斜型面頂部最薄處為5mm，前緣斜面最薄處厚2mm。

本發明還提供所述的鈦合金薄型多面體舵骨架的加工方法，包括：對鈦合金毛坯進行粗加工，形成雛形；割除八個減輕窗口，底部缺口靠近直角邊一側的減輕窗口不切割；精加工，割除底部缺口靠近直角邊一側的減輕窗口。

進一步，形成雛形包括：

步驟1，將矩形鈦合金毛坯板數控粗銑出輪廓外形，并預留出裝夾工藝塊，輪廓外形單邊留有2mm精加工余量；

步驟2、數控精銑外形輪廓中的底面及底部中間工藝塊兩側面；

步驟3、后表面粗糙度1.6μm，底面平面度0.05mm，作為后續加工定位基準；

步驟4，將零件平放裝夾在工作臺面上，數控粗銑厚度方向兩側前緣斜面，單邊留有1mm精加工余量；

步驟5，數控粗加工底部斜角，單邊留有1mm加工余量。

進一步，所述精加工，割除底部缺口靠近直角邊一側的減輕窗口包括：

步驟7、采用普通銑床修正零件四周工藝塊，正反對稱均勻去除余量，保證工藝塊平面度不大于0.05mm，相較于型面中心平面對稱度不大于0.1mm；

步驟8、去除毛刺；

步驟9、用專用斜面工裝裝夾，數控精銑厚度方向兩斜型面；正反對稱銑削兩斜面需翻身裝夾；

步驟10、用專用斜面工裝裝夾，數控精銑厚度方向兩側凹型面；正反對稱銑削兩凹型面需翻身裝夾；

步驟11，將零件平放裝夾在工作臺面上，數控精銑厚度方向兩側前緣斜面；

步驟12，數控精加工底部斜角及與斜型面相接處過渡圓角；

步驟13，采用定制槍鉆鉆削加工零件底部高精深孔；

步驟14，割出零件部分外形；慢走絲線切割割出零件背部輪廓面及缺口、底部平面及缺口；

步驟15，快走絲線切割割除底部缺口靠近直角邊一側的減輕窗口；

步驟16，快走絲線切割割出前緣及頂部輪廓；

步驟17，挫修前緣及輪廓頂部棱邊圓角；

步驟18，檢驗、油封、入庫。

進一步，所述步驟13包括：

步驟A：以工藝塊臥式裝夾零件；

步驟B：以百分表測量工藝塊平面度，并對零件進行調整，確保工藝塊平面度不大于0.05mm；

步驟C：以紅外線側頭探測工藝塊上表面，并根據工藝塊厚度尺寸將厚度方向零點設置在工藝塊厚度方向中心平面；

步驟D：在深孔加工平面上以中心鉆點鉆定位，點鉆深度1-1.5mm；

步驟E：麻花鉆鉆削加工引導孔底孔，孔深L＝2～3D，D為孔的直徑；

步驟F：鉸刀精鉸引導孔至深孔公稱尺寸；

步驟G：槍鉆連續一次性鉆削加工至深孔預定深度。

本發明的優點包括：

本發明提供的鈦合金骨架薄型多面體零件的加工方法，通過在鈦合金舵骨架零件批量生產加工的應用，具有以下積極效果：1、本發明采用以數控銑削、快走絲線切割、槍鉆鉆削、慢走絲線切割相結合的工藝手段，合理安排工藝流程、分配切削余量，有效控制零件加工變形、確保了零件最終精度，同時最大程度做到工序集中，有效減少工序數，縮短制造周期。2、本發明采用斜面專用工裝夾具，通過定位銷，零件斜型面正反加工均能快速準確定位，裝夾方便快捷且準確性高。本發明所公開的制造工藝具有良好的穩定性和可靠性，達到了零件的設計精度要求，提高了零件的加工效率，降低了零件的制造成本，具有顯著的經濟效益。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的鈦合金薄型多面體舵骨架加工方法工藝塊預留示意圖；

圖2(a)為本發明實施例提供的鈦合金薄型多面體舵骨架正視圖；(b)為右視圖；

圖3為本發明實施例提供的鈦合金薄型多面體舵骨架減輕窗口編號示意圖；

圖4為本發明實施例提供的鈦合金薄型多面體舵骨架加工方法采用的專用工裝結構示意圖；

圖5為本發明實施例提供的鈦合金薄型多面體舵骨架加工方法前緣走刀軌跡示意圖；

圖6為本發明實施例提供的鈦合金薄型多面體舵骨架加工方法流程圖。

具體實施方式

下文中，結合附圖和實施例對本發明的精神和實質作進一步闡述。

如圖1所示，舵骨架工藝塊預留示意圖。其材料為Ti6Al4V鈦合金板，經三軸數控銑削零件外形輪廓最大尺寸為412x240xδ20mm，工藝塊11伸出輪廓外形寬度為18mm，工藝塊與零件厚度一致。零件底面及底部中間工藝塊兩側面經精銑后作為后續加工定位基準面12。所述斜型面的底面為長方形，所述前緣斜面的底面為三角形。

如圖2(a)，本發明實施例提供的鈦合金薄型多面體舵骨架的剖面為直角梯形，包括前緣斜面22和斜型面21，所述前緣斜面22和斜型面21分別包括關于直角梯形對稱的兩個斜面；所述斜型面的剖面為與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。所述斜型面下底上開有一個底部缺口29，右側面有背部缺口28；斜型面21兩個斜面上各開有凹型面23，所述凹型面23里開有減輕窗口26。如圖2(b)所示，所述斜型面21側面開有高精深孔27，所述舵骨架底部為斜角24，底部斜角24和斜型面之間通過過渡圓角25連接。

繼續參考圖2，舵骨架零件為鈦合金薄板框架結構，外形輪廓尺寸約為400*65mm；所述舵骨架整體面型為角度斜面，由斜型面、前緣斜面、底部斜角等多部分組成，底部最厚處18mm，斜型面頂部最薄處5mm，前緣斜面最薄處厚度2mm；型面上分布多個大小不一的減輕口框，使這個零件材料去除量達70％以上，為典型弱剛性薄壁件。舵骨架底部分布兩組高精度深孔，其中一個通孔孔徑尺寸為長度約為230mm，長徑比達19；另一個盲孔孔徑尺寸為長度約為220mm，長徑比達31，孔徑尺寸精度要求為IT8級，內孔表面粗糙度要求Ra≤1.6m。兩孔相對于面型中心平面對稱度不大于0.05mm。此外，兩組深長孔被面型上的口框和缺口分割成3段，其中底部缺口寬度尺寸公差要求0.054mm，缺口表面粗糙度Ra≤1.6m。

參見圖3為舵骨架零件減輕窗口編號示意圖，為了不影響零件底部深孔后續的加工，將零件內部第九減輕窗口9分為兩次割除。在深孔加工前先去除第一減輕窗口1、第二減輕窗口2、第三減輕窗口3、第四減輕窗口4、第五減輕窗口5、第六減輕窗口6、第七減輕窗口7、第八減輕窗口8；減輕窗口，留有第九減輕窗口9以保證深孔加工的的基體材料是完整的，避免斷續鉆削引起的鉆孔偏斜，確保深孔加工質量。待深孔加工完成后再去除第九減輕窗口9工藝塊。

參見圖4所示的舵骨架零件斜面專用工裝結構示意圖，該專用夾具具體包括底板31、第一定位銷32、第二定位銷33、第三定位銷34。底板上根據零件斜型面斜角角度(單邊)設置了2.27°裝夾主斜面35，用于放置零件；制作了銷孔，用于安裝定位銷，制作了M16螺紋孔，用于安裝壓板螺栓；制作了基準長槽36，用于測量調整工裝放置位置。此外，由于零件放置在裝夾主斜面上后呈一定斜角，無法在零件上直接探測設定Y、Z方向的零點，因此，在工裝底板上設計制作了基準方槽，用于數控加工零點探測及設定。加工前，將工裝底板放置在機床工作臺面，以千分表測量基準長槽，確保工裝平直度在0.02mm以內，調整好位置后四角以壓板固定；再將零件放置于裝夾主斜面上(角度)，通過1-3#定位銷定位，再以壓板壓緊工藝塊實現零件的固定。以數控機床紅外線側頭測量基準方槽Y方向和Z方向所得數值計算出零件加工Y、Z向零點位置，并完成設置。

參見圖5為舵骨架零件前緣走刀軌跡示意圖，前緣斜面無論是粗加工方肩銑還是精加工球頭銑均是以平行于前緣斜面的路徑軌跡走刀切削，這樣的走刀方式連續直線走刀距離最長，折返次數最短，切削效率較高，而且這樣走刀每一段連續直線軌跡刀具僅是在X\Y平面運動，在Z方向無位移，粗加工后精加工余量相對均勻，同時能夠減小刀具磨損，提高零件表面光潔度。

舵骨架零件的加工采用高精度三軸數控加工中心，最高轉速8000rpm，主軸功率13千瓦，最大輸出扭矩83KW，定位精度0.008mm，重復定位誤差0.005mm。采用可轉位硬質合金TiAlN涂層銑刀片進行斜型面的切削加工，具有良好耐高溫性能，刀片前角15°、后角10°，具有更佳的耐沖擊性，能夠減小切削磨損，確保鐵屑順暢排出，實現了粗加工3mm切深，80％刀具直徑且寬，精加工1mm切深，60％切寬的高效材料去除。加工過程采用切削油澆注，通過油液及時帶走切屑及切削部位產生的熱量，有效降低加工溫度，減小零件熱變形。同時切削油在切削過程中也能對零件加工表面及道具起到潤滑保護作用，以獲取更佳的表面光潔度，且可減小刀具磨損，延長刀具使用壽命。

最后采用慢走絲線切割一次性割出零件背部輪廓面及缺口、底部平面及缺口，從而保證零件底部缺口寬度0.054mm的尺寸公差要求，以及底部缺口中心與零件背部輪廓面間±0.05mm的距離尺寸公差要求，同時保證底部缺口面表面粗糙度Ra≤1.6m的要求。

舵骨架零件制造工藝流程圖如圖6所示。按如下步驟順次進行：

步驟一，粗銑外形輪廓。將矩形鈦合金毛坯板數控粗銑出輪廓外形，并預留出裝夾工藝塊，輪廓外形單邊留有2mm精加工余量，工藝塊預留位置如圖1。

步驟二，精銑定位基準。數控精銑外形輪廓中的底面及底部中間工藝塊兩側面，保證精銑后表面粗糙度1.6μm，底面平面度0.05mm，作為后續加工定位基準。

步驟三，粗銑型面。用專用斜面工裝裝夾，以方肩銑方式數控粗銑厚度方向兩斜型面，單邊留有1mm精加工余量。正反對稱銑削兩斜面需翻身裝夾。刀具規格及切削參數如表1所示。

步驟四，粗銑前緣斜面。將零件平放裝夾在工作臺面上，以方肩銑方式數控粗銑厚度方向兩側前緣斜面，單邊留有1mm精加工余量。正反對稱銑削兩前緣斜面需翻身裝夾。走刀軌跡如圖5所示。刀具規格及切削參數表1所示。

步驟五，粗銑底部斜角。以方肩銑方式數控粗加工底部斜角，單邊留有1mm加工余量。正反對稱銑削兩斜角需翻身裝夾。刀具規格及切削參數表1所示。

步驟六，割除部分口框。快走絲線切割割除圖3所示的1-8#減輕口框。

步驟七，修正工藝塊。采用普通銑床修正零件四周工藝塊，正反對稱均勻去除余量，保證工藝塊厚度，平面度不大于0.05mm，相較于型面中心平面對稱度不大于0.1mm。

步驟八，去除毛刺。鉗工去除銑后毛刺。

步驟九，精銑型面。用專用斜面工裝裝夾，以方肩銑方式數控精銑厚度方向兩斜型面。正反對稱銑削兩斜面需翻身裝夾。刀具規格及切削參數表1所示。

步驟十，精銑凹型面。用專用斜面工裝裝夾，以方肩銑方式數控精銑厚度方向兩側凹型面。正反對稱銑削兩凹型面需翻身裝夾。刀具規格及切削參數表1所示。

步驟十一，精銑前緣斜面。將零件平放裝夾在工作臺面上，以球頭銑方式數控精銑厚度方向兩側前緣斜面。正反對稱銑削兩前緣斜面需翻身裝夾。走刀軌跡如圖5所示。刀具規格及切削參數表1所示。

步驟十二，精銑底部斜角。以球頭銑方式數控精加工底部斜角及與斜型面相接處過渡圓角。正反對稱銑削兩斜角需翻身裝夾。刀具規格及切削參數表1所示。

步驟十三，鉆削深孔。采用定制槍鉆鉆削加工零件底部高精深孔(孔徑精度要求IT8級)。切削參數如表2所示。

所述步驟十三具體包括以下七個步驟：

步驟A：以工藝塊臥式裝夾零件。

步驟B：以百分表測量工藝塊平面度，并對零件進行調整，確保工藝塊平面度不大于0.05mm。

步驟C：以紅外線側頭探測工藝塊上表面，并根據工藝塊厚度尺寸將厚度方向零點設置在工藝塊厚度方向中心平面。

步驟D：在深孔加工平面上以中心鉆點鉆定位，點鉆深度1-1.5mm。

步驟E：麻花鉆鉆削加工引導孔底孔，孔深L＝2～3D。

步驟F：鉸刀精鉸引導孔至深孔公稱尺寸。選用鉸刀刃部直徑精度要求IT4。

步驟G：槍鉆連續一次性鉆削加工至深孔預定深度。

步驟十四，割出零件部分外形。慢走絲線切割割出圖1所示零件背部輪廓面及缺口、底部平面及缺口。

步驟十五，割除剩余口框。快走絲線切割割除圖3所示9#減輕口框。

步驟十六，割出零件剩余外形?？熳呓z線切割去除工藝塊，割出圖1所示前緣及頂部輪廓。

步驟十七，去除毛刺、挫修圓角。鉗工去除所有毛刺，挫修前緣及輪廓頂部棱邊圓角。

步驟十八，檢驗、油封、入庫。

表1數控銑削加工切削參數

通過采用本發明的機械加工工藝和專用工裝夾具，在舵骨架的實際加工中進行應用，零件加工變形得到有效控制，加工出的舵骨架表面質量較好，無論是型面還是深孔特征，高精度要求尺寸均得到有效保證。該零件的加工工藝具有良好的穩定性和可靠性，加工效率得到大幅提高，零件加工質量完全符合設計要求

本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發明技術方案的保護范圍。