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該文對(duì)某腹板梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,結(jié)合鈦合金材料性能,制定合理的加工方案,包括機(jī)床夾具、刀具、量具及加工參數(shù)等,通過歸納該零件的數(shù)字化制造過程,總結(jié)出一套適用于相似件的數(shù)字化加工方法。
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序 言
鈦合金由于其密度小、比強(qiáng)度高及耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn),近年來已經(jīng)在國際航空事業(yè)中得到了大規(guī)模的應(yīng)用。鈦合金材料具有熱導(dǎo)率小、彈性模量小及化學(xué)活性高等特點(diǎn),在實(shí)際加工中,容易造成切削溫度高、回彈嚴(yán)重、刀具壽命短及切削效率低等問題,降低了鈦合金的可加工性。分析零件結(jié)構(gòu),鈦合金零件多為薄壁、內(nèi)外型復(fù)雜的零件,毛料去除率一般為80%~90%,去除量較大,因此如何合理安排加工方案,從而優(yōu)質(zhì)高效地加工鈦合金零件,顯得十分重要和必要。2
零件結(jié)構(gòu)及加工要求
圖1所示腹板梁零件外廓尺寸為1060mm×420mm×64mm,材料為鈦合金。
圖1 腹板梁零件
腹板梁是某組合腹板的主要焊接承力部件,屬于典型腹板梁類結(jié)構(gòu),單面槽腔、正反端面均為多個(gè)平面接合而成,為典型的AB面加工零件。實(shí)際加工中,毛料為模鍛件,均勻余量3mm。此外,腹板梁部分外形處均需預(yù)留焊接余量,薄壁處尺寸精度要求高,數(shù)控加工存在難度。
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工藝分析
在數(shù)字化加工過程中,主要需要考慮材料性能、工藝方案,其中工藝方案包括機(jī)床夾具、加工方法、刀具及量具等多方面因素,要逐一分析各因素中的具體問題,并制定詳細(xì)的解決方案,才能保證腹板梁優(yōu)質(zhì)高效地加工。
3.1 材料性能
該零件材料屬于典型的α鈦合金,熱處理后硬度和強(qiáng)度都有所增大,屬于航空難加工材料。分析材料機(jī)械加工性能,其劣勢(shì)主要有以下幾方面。
1)鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小、散熱性能差,加工過程中溫度高,切屑易產(chǎn)生黏刀現(xiàn)象。
2)鈦合金比熱小、熱量不易擴(kuò)散,加工過程中,刀具局部位置持續(xù)高溫,加快了刀具磨損,增大了發(fā)生崩齒現(xiàn)象的概率。
3)TA15 M鈦合金在高溫環(huán)境下,化學(xué)穩(wěn)定性差,400℃以上即可產(chǎn)生致密氧化膜,還與氮、氫等發(fā)生反應(yīng),增加了加工難度。
結(jié)合材料主要特點(diǎn),在實(shí)際數(shù)控銑加工過程中,采用大前角、小后角刀具,前/后角分別取6°~8°、6°~12°。刀具材料以硬質(zhì)合金鋼為主,保證切屑可以快速脫落、散走熱量,降低了表面燒傷、氧化及黏刀切傷的風(fēng)險(xiǎn)。
3.2 工藝結(jié)構(gòu)
腹板梁在裝配過程中充當(dāng)梁類承力部件,但實(shí)際結(jié)構(gòu)更偏向于腹板零件,名稱也由此而來。腹板梁主要工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。
1)單面槽腔結(jié)構(gòu),另一面為多平面結(jié)合的折面區(qū)。
2)腹板厚度存在4mm、3.5mm、3mm及5mm等多種規(guī)格。
3)緣條厚度存在6mm、8mm、10mm、12mm及2.5mm等多種規(guī)格。
4)頭部?jī)?nèi)形結(jié)構(gòu)尺寸較多,精度要求高。
5)多處腹板面夾角≠180°,需擺軸加工。
6)毛料為模鍛件,除孔外其余均勻余量3mm,加工容差率低。
通過分析可知,主要加工難點(diǎn)有4處。
1)腹板、緣條末端薄壁處因缺少連接結(jié)構(gòu),100%讓刀,薄壁尺寸難以保證。
2)多處底平面需要接合,接合處需光滑過渡,加工存在難度。
3)頭部φ140mm孔為裝配孔,孔徑及孔位精度要求高,存在熱處理變形的情況,需要解決。
4)毛料均勻余量3mm,無法預(yù)留定位耳片,裝夾定位存在難度。
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方案論證
為解決上述問題,需要從加工刀具、裝夾定位和加工流程等方面入手,保證合理且互相協(xié)調(diào)。
4.1 加工刀具分析腹板梁結(jié)構(gòu)可知,該零件高度跨度小,來料余量小,沒有配合槽口結(jié)構(gòu),反面均為平面接合,正面存在型腔結(jié)構(gòu),型腔轉(zhuǎn)角90%為R10mm,底角均為R5mm,確定各工序使用的刀具見表1。
表 1 各工序使用的刀具
4.2 裝夾定位
由于腹板梁零件來料為均勻3mm余量的模鍛件,無法使用凸臺(tái)定位,因此確定采用2個(gè)φ18mm加強(qiáng)孔及筋條上表面/下表面的一面兩孔定位方式,具體流程如圖2所示。圖 2 一面兩孔定位具體流程
一面兩孔定位可保證定位準(zhǔn)確,減小累積定位誤差,是保證產(chǎn)品精度的重要一步。
4.3 加工方式
該腹板梁屬于典型的雙面腹板類零件,因此采用AB面的加工方式即可,即反面粗加工→反面精加工→正面粗精加工,具體如下。
1)反面粗銑1mm余量,半精銑0.5mm余量,精銑到位,保證各平面表面粗糙度合格,階差尺寸保證到位。
2)正面半精銑0.8mm余量,精銑到位,減少刀路重復(fù)次數(shù)。由于反面已經(jīng)加工到位,大平面定位準(zhǔn)確性高,所以可直接半精銑、精銑到位。
3)精銑時(shí)采用先腹板、后緣條、末筋條的形式,避免了緣條過切、腹板刮傷的現(xiàn)象。
針對(duì)3.2中的4處加工難點(diǎn),制定具體的解決方案如下。
1)針對(duì)末端薄壁處尺寸,由于沒有連接結(jié)構(gòu),加工過程中薄壁處受刀具軸向力后會(huì)發(fā)生變形,從而產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象,導(dǎo)致薄壁處尺寸無法切削到位,且具體偏離數(shù)值無法得到控制,增加刀具長度補(bǔ)償?shù)脑?,?huì)造成腹板切傷,工作量也成倍增加。圖 3為理論上及實(shí)際切削時(shí)薄壁處外形,其中虛線部分為理論上切削時(shí)薄壁處外形;實(shí)線部分為實(shí)際切削時(shí)薄壁處外形。
圖3 理論上及實(shí)際切削時(shí)薄壁處外形
針對(duì)此情況,采用預(yù)留余量的加工方式,即數(shù)控加工預(yù)留0.5mm余量,后續(xù)常規(guī)使用墊塊支撐,加工到位。相比于數(shù)控加工,常規(guī)裝夾更加靈活,對(duì)于薄壁處可以使用自調(diào)千斤頂進(jìn)行加固,防止了讓刀現(xiàn)象的發(fā)生。
2)針對(duì)反面平面相接處,采用φ10R5硬質(zhì)合金銑刀底角行切的方式加工到位,雖然加工周期延長,但保證了相接處的加工精度和表面質(zhì)量。
3)針對(duì)頭部φ140mm孔熱處理變形的情況,采取預(yù)留余量的方式,即熱處理前加工至φ136mm,單邊留2mm余量,熱處理后對(duì)比樣板進(jìn)行校正,后續(xù)補(bǔ)加工到位。
4)由于毛料均勻余量3mm,無法預(yù)留凸臺(tái)裝夾,因此只能利用外形3mm余量加工壓點(diǎn),正反面加工1/2高度的外形,用于壓裝壓板,最終外形通過正反兩面接合加工到位(見圖4)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于,加工時(shí)不需要重復(fù)替換壓板,減少了接刀痕跡的數(shù)量,提高了整體表面質(zhì)量,刀路軌跡清晰有條理,同時(shí)提高了加工效率。
圖4 外形通過正反兩面接合加工到位5
加工容差分配及測(cè)量方式的選擇
在機(jī)械加工中,由于機(jī)床誤差、定位誤差及操作誤差等不可避免的原因,實(shí)物零件會(huì)與設(shè)計(jì)數(shù)模在尺寸方面有一定的偏差,選擇合理的偏差范圍是保證零件能夠滿足交付及后續(xù)使用的條件之一。零件按照設(shè)計(jì)要求,腹板厚度極限偏差為mm、緣筋條厚度偏差為±0.2mm,按照通用技術(shù)條件要求,外形公差為±0.2mm、孔位公差為±0.1mm。
由于該零件在航空產(chǎn)品中生產(chǎn)數(shù)量較多,因此制作了專門用于檢查零件位置和部分尺寸的模線樣板、反切外樣板,通過樣板可以準(zhǔn)確直觀地檢查零件內(nèi)外形及孔位,相對(duì)于數(shù)字化測(cè)量,樣板檢查提高了交付效率,縮短了腹板梁的整體生產(chǎn)周期。
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結(jié)束語
本文研究探討了鈦合金材料的性能和加工難點(diǎn),對(duì)常用的刀具特點(diǎn)、加工思路進(jìn)行了分析;探討了腹板梁局部難加工特點(diǎn),制定并驗(yàn)證了有針對(duì)性的解決方案;對(duì)腹板梁及類似件的完整加工流程進(jìn)行梳理,總結(jié)出加工該零件的詳細(xì)方案。
鈦合金零件的數(shù)字化加工現(xiàn)已成為航空、航天、汽車和船舶等行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一,如何優(yōu)質(zhì)高效地加工鈦合金零件也成為目前機(jī)械加工行業(yè)的主要研究方向。通過對(duì)某腹板梁典型零件的加工特征進(jìn)行分析,制定了詳細(xì)的工藝方案,包括裝夾方案,刀具、量具及容差選擇等,為腹板梁按時(shí)高效地交付提供了技術(shù)支持,同時(shí)也為類似零件后期的工藝準(zhǔn)備工作提供了充足的技術(shù)儲(chǔ)備。