航空舵面接头零件工艺方案的优化与改进

1 序言

　　难加工材料（如30CrMnSiA、TB2及固溶钢等）的有效切削加工一直是整个航空制造领域的难点问题。在实际加工过程中，上述材料不仅切削较为困难，而且在加工过程中刀具磨损严重，有效切削时间短，加工效率低，切削后的零件表面质量一般，不能满足设计要求及节点交付需求^[1，2]。

  　现以车间某难加工棒材30CrMnSiA舵面接头零件的工艺改进为例，创新性地提出两种批产零件工艺加工方案，并进行实践对比论证，择优投产，有效解决了该零件批产加工效率低、合格率不高、加工成熟度低以及质量不稳定等一系列棘手问题。

2 零件结构

　　图1所示为某舵面接头零件结构。该接头零件来料为30CrMnSiA-ф155mm棒材，为高强度合金钢，热处理后抗拉强度σb为（1175±100）MPa，多用作飞机、导弹上主要受力零部件的材料。零件整体结构主要分为两部分，即“圆柱+扇形”结构，零件整体尺寸较大，需要多个工位面加工。

3 加工难点分析

　　1）由于车间初始工艺方案采用“卧式车床+普通铣床”加工的方式进行，加工效率极低，且零件扇形槽腔较深，槽口极易收缩变形，对称度0.15mm不易保证；同时，零件自身存在多处精密尺寸，精度等级达到IT8，部分表面的表面粗糙度值Ra要求达到1.6μm，因此初始工艺方案整体加工效率低，批产报废率高，加工出的零件表面质量一般，整体工艺方案的加工成熟度不高，特别不适用于车间批产零件的加工。
　　2）零件多面均有加工需求，通过多工位虎钳装夹加工的方式，势必会造成定位误差的累积，导致零件各相关联的尺寸难以保证。通常，想要一次性装夹零件并加工多个工位，原则上会采用五轴数控机床，但考虑到公司五轴数控机床的产能制约，优化方案暂定采用“车削+三轴数控铣削+磨削+线切割”多工种流水线加工的方式进行，同时在加工过程中需要反复进行基准校正，并增加一定的防差错手段（例如增加半精加工，加工完毕后根据实测值进行调整）。
　　3）由于零件来料为30CrMnSiA-ф155mm棒材，是金属材料通过熔铸、滚压拉伸塑性变形而得到的符合一定行业标准的棒料毛坯，材料内部存在较大的残留应力。此外，零件粗加工后还要进行淬火时效，此过程中也会出现一定的变形，因此在零件加工过程中应针对上述变形问题进行消除变形量的工艺安排[3]。

4 工艺改进方案一

4.1 方案解析
　　方案一总体采用“车削+三轴数控铣削+磨削+线切割”的加工模式。因零件来料为30CrMnSiA棒材，没有多余的区域设置工艺孔及装夹螺栓孔，也没有足够的区域搭置压板，故需要使用虎钳、分度头等进行定位与装夹。在实际加工中，采用方案一成功加工出了几批零件，但由于在加工过程中使用分度头进行装夹，零件伸出夹持的部位较长，导致零件加工刚性较弱，加工过程中时有振动，影响零件的表面质量。另外，由于自定心卡盘的存在，因此零件加工时需要夹持的刀具较长，造成刀具刚性较弱，铣削速度低，整体加工效率不高，不利于后续批量零件的加工。
4.2 工艺流程
　　考虑到零件加工中途需要进行热处理，由于一般热处理后零件或多或少会产生一些应力变形，因此在工艺安排上需要考虑上述因素对后续加工的影响。
　　将零件的加工流程大致划分为一般精度尺寸精加工完成，粗加工精密尺寸部位，热处理，精加工精密尺寸部位等几个阶段，合理安排每个阶段的加工余量。方案一具体工艺流程（见图2）如下。
　　1）领取30CrMnSiA-ф155mm棒材，单件下料长度L=130mm。
　　2）粗车削外圆，如图2a所示。
　　3）铣削对方，保证厚度尺寸，如图2b所示。
　　4）铣削外形弧面，如图2c所示。
　　5）热处理。
　　6）精车削外圆柱面。
　　7）磨削精密外圆。
　　8）使用分度头加工第一面，如图2d所示。
　　9）分度头翻转180°，加工第二面，如图2e所示。
　　10）线切割割铣扇形槽。
　　11）平铣扇形槽。
　　12）钻孔。
　　13）零件热处理后消除机械加工残余应力。
　　14）半成品检验。
4.3 存在的问题
　　在粗车削外圆时，棒料毛坯直接由中155mm车削至中30mm，毛坯去除量过大，车削工作量较大，耗时较长；在普通铣床铣削对方时，由于零件装夹困难，毛坯去除量较大，因此导致铣削加工时间较长；使用分度头在数控机床上加工时，由于使用自定心卡盘，因此需要夹持的刀具较长，刀具刚性变弱，导致加工速度较低，影响加工效率；由于使用自定心卡盘，零件伸出自定心卡盘夹持的部分较多，而零件较重，导致整体加工刚性较弱，因此加工时极易产生振刀铣伤问题，影响零件的表面质量。
　　综上所述，优化改进后的方案一虽然比初始工艺方案优越，加工成熟度有所提升，但是并没有很好地解决舵面接头零件加工效率低、报废风险高及质量不稳定的问题。如何摆脱现状，追求一种更理想、更有效的优化改进方案极为迫切。

5 工艺改进方案二

5.1 方案解析
　　在对方案一的解析中，攻关团队发现采用方案一加工出来的零件表面质量参差不齐，夹持刀具较长，加工效率整体偏低，粗车削和普通铣床铣削工序的毛坯去除量过大，材料浪费严重，多余的材料平添了大量无用的加工时间，严重拖延生产周期。
　　结合以上几点，重新优化工艺方案，在方案一的基础上形成工艺改进方案二。方案二的优化内容主要体现在改变零件的摆放方式、大幅缩减下料毛坯，通过设计一套专用工装夹具，改变加工方式等，最终实现提高零件表面质量和批产加工效率的目的。
5.2 工艺流程
　　优化后的方案二在加工流程上与方案一有所变化，主要体现在对线切割加工扇形槽以前的内容进行整合与优化调整，后续加工流程与方案一相同。方案二具体工艺流程如下。
　　1）领取30CrMnSiA-155mm棒材，单件下料长度L=60mm，如图3所示。
　　2）普通铣床光铣上下平面。
　　3）水切割割外形，如图4a所示。
　　4）铣削对方，如图4b所示。
　　5）数控粗铣削外圆余量，如图4c所示。
　　6）热处理。
　　7）精车削外圆柱面。
　　8）磨削精密外圆。
　　9）数控加工外形、下陷槽及孔，卧式加工如图4d所示。
　　10）数控加工零件扇形面外形，立式加工如图4e所示。
　　11）线切割割铣扇形槽。
　　12）平铣扇形槽。
　　13）钻孔。
　　14）零件热处理后消除机械加工应力。
　　15）半成品检验。

6 两种工艺改进方案的对比

　　经过实际生产并结合现场反馈情况，对两种加工方案的相关数据进行对比分析如下。
　　1）方案一单个零件下料毛坯长度L=130mm，方案二L=60mm，单个零件节省了70mm材料，省料率达到53.8%。
　　2）方案二以水切割代替粗车削，仅保留精车削内容，大幅减少了车削的无用加工时间，提高了加工效率，缩短了生产周期。
　　3）针对同类型刀具，方案一的刀具伸出长度为80~100mm，方案二的刀具伸出长度为40~60mm，刀具变短，刚性变强，且使用高进给铣刀加工，进一步提高了加工效率，缩短了生产周期。
　　4）方案二零件表面质量显著提升，质感大幅增强。
　　5）方案二零件一次交检合格率明显提高，基本达到100%。

7 结束语

　　本文综合分析了舵面接头零件的加工瓶颈，针对难加工材料和零件结构特点，创新性提出两种工艺改进方案并进行对比分析，择优选取方案二投入零件的批量生产，大幅提高了零件的加工效率和表面质量，零件尺寸精度得到保证，合格率基本达到100%，节点交付周期明显缩短。工艺改进方案对相关零件的工艺编排具有一定的指导和借鉴意义。

参考文献：

[1] 欧阳阿宁，石鑫，熊洪源，等.接头零件工艺方案的优化与改进[J].金属加工（冷加工），2023（3）：39-41.
[2] 薛祥友，辛浩，孙捷夫，等、航空铝合金薄壁件加工变形的分析与工艺方案设计[J].工具技术，2023（7）：125-128.
[3] 赵军，李思君.右侧壁腹板加工方案[1].金属加工（冷加工），2021（1）：75-77.