引言

鈦合金材料作為一種輕合金材料,在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱能力優(yōu)秀等特點(diǎn)。但鈦合金亦是一種典型的難加工材料,切削加工過程中切削溫度高、回彈大,極易發(fā)生加工硬化,對(duì)切削刀具與切削工藝均提出了極高的要求。本文針對(duì)航空航天鈦合金結(jié)構(gòu)件加工的工程問題,開展了切削刀具與切削工藝的研究,最終保證切削加工順利完成。

1加工對(duì)象與刀具選擇

鈦合金結(jié)構(gòu)件翼面裝配弧面及定位槽的銑削加工成型零件圖如圖1所示,加工材料為TC4鈦合金?；谠摻Y(jié)構(gòu)件的復(fù)雜形狀以及鈦合金材料不佳的切削性能,對(duì)夾具系統(tǒng)做出了改進(jìn)。在本文的工藝優(yōu)化措施下,切削質(zhì)量顯著提高,且加工效率有效提升。

1.1鈦合金刀具材料的選擇

鈦合金切削加工過程具有如下特點(diǎn):

(1)變形系數(shù)小。切屑在前刀面上具有較大的滑動(dòng)摩擦的路程,導(dǎo)致刀具易磨損。

(2)切削溫度高。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小且切屑與前刀面的接觸路徑短,切削熱容易在切削區(qū)和切削刃附近的一個(gè)較小區(qū)域內(nèi)不斷累積,使該區(qū)域溫度保持在一個(gè)較高的程度。在其他切削條件不變的前提下,其切削溫度可比45號(hào)鋼高出一倍以上。

(3)工藝系統(tǒng)剛度要求高。切屑與前刀面之間的小距離接觸使得單位切削力增大,更易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。鈦合金自身彈性模量也小,加工過程中回彈現(xiàn)象明顯,不僅容易導(dǎo)致刀具進(jìn)一步損耗,也容易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象,影響最終的加工質(zhì)量,需要提高整個(gè)加工系統(tǒng)的剛度以抵抗變形。

(4)加工硬化明顯。鈦合金材料具有較高的活性,高切削溫度下更是如此,其表面極易與空氣反應(yīng)形成各種硬脆層,而加工時(shí)的塑性形變會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致表面的硬化。綜合作用下,刀具壽命嚴(yán)重縮短,且最終加工件疲勞性能表現(xiàn)不佳。

(5)硬質(zhì)合金刀具易磨損。硬質(zhì)合金可用于加工鈦合金材料,但是由于鈦合金對(duì)硬質(zhì)合金的化學(xué)親和性強(qiáng),在加工過程中形成的高溫高壓條件易使刀具出現(xiàn)粘結(jié)磨損問題。

針對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)件上述特點(diǎn),切削刀具材料最終選用硬質(zhì)合金或高速鋼。根據(jù)刀具材料的不同,對(duì)具體工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)做出如下修正:硬質(zhì)合金刀具,首先需要考慮切削工件與鈦合金之間的親和反應(yīng),故排除yT類硬質(zhì)合金刀片,選擇yG6類硬質(zhì)合金刀片。另外,為提高切削刃強(qiáng)度和改善散熱條件,銑刀前角y控制在0o~5o,后角y控制在4o~10o,刀尖圓弧半徑控制在0.5mm。同時(shí),硬質(zhì)合金銑刀切削參數(shù)應(yīng)按以下原則選用:切削速度選擇Vc=60m/min,進(jìn)給量控制在Vf=130mm/min。當(dāng)選用高速鋼刀具時(shí),切削速度Vc=6~30m/min,進(jìn)給量控制在Vf=20~60mm/min。冷卻液使用大量的極壓乳化液,具有潤(rùn)滑好、冷卻效果佳的優(yōu)點(diǎn)。

1.2加工工藝過程

為提高整個(gè)夾具系統(tǒng)剛度,減小刀具的懸伸距離,以避免切削過程易產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象,最終工藝參數(shù)如表1所示。

2改制刀具

2.1硬質(zhì)合金立銑刀的改制

按加工鈦合金結(jié)構(gòu)件翼面的弧面要求,翼面弧面與鈦合金結(jié)構(gòu)件外殼弧面相吻合(圖1,R104.9)。傳統(tǒng)加工手段為通用的臥式銼床,但生產(chǎn)效率偏低(每日僅能加工4~5件),難以滿足目標(biāo)基本生產(chǎn)需求。本文提出了一種新的加工手段,選擇銑削方法加工弧面R104.9,以銑代銼,最終加工效率提高了5倍以上。而該方法需要對(duì)銑刀做出優(yōu)化改進(jìn),如圖2所示,同時(shí)需要對(duì)工藝路線進(jìn)行修正。

2.2帶柄硬質(zhì)合金三面刃盤銑刀

翼面定位槽的加工,槽深21.1mm,槽長(zhǎng)280mm,槽寬(6+0.075)mm,該槽用于翼面與鈦合金結(jié)構(gòu)件艙體的裝配定位,須保證槽底尺寸R30。為了滿足加工要求,自制的帶柄硬質(zhì)合金三面刃銑刀如圖3所示,刀柄直徑16mm,銑刀直徑(60+0.2)mm,厚度5mm,刀頭的材料選擇YG類,銑刀前角y=3°,后角a=8°,刀尖圓弧半徑為0.5mm,最終滿足了尺寸R30的精度要求。

圖3 帶柄硬質(zhì)合金三面刃銑刀

3自制夾具

由于翼面結(jié)構(gòu)件的兩側(cè)面為兩傾斜復(fù)雜型面,選用的常規(guī)夾具無(wú)法有效裝夾,需要設(shè)計(jì)一款針對(duì)性的專用夾具。針對(duì)該現(xiàn)狀,本文自制了專用夾具,如圖4所示。

基本設(shè)計(jì)要求為:強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均需要提升,以保證夾具系統(tǒng)在加工過程中可以承受較大的力:進(jìn)一步增大夾具系統(tǒng)的安裝面,以周邊接觸作為最佳接觸選擇。適用于銑床的夾具為保持定位,會(huì)選取定位鍵與自身平臺(tái)具有特定形狀的槽進(jìn)行配合。定向鍵與夾具體配合多采用H7/h6,定位鍵與特定形狀槽(通常為T形槽)配合的部分預(yù)留出一定部分的余量進(jìn)行修配,以保證最終的安裝精度,或通過在夾具正常使用時(shí),使定位鍵的某一面與平臺(tái)特定形狀槽接觸,抵消安裝間隙。銑床夾具通常配有特殊設(shè)計(jì)的耳座,以螺栓連接的方式保證整個(gè)加工系統(tǒng)的緊密連接。加工工藝及切削參數(shù)如表2所示。

圖4 自制專用夾具

4銑床調(diào)整、裝夾校正后進(jìn)行銑削加工

根據(jù)圖紙中給出的指標(biāo),銑頭與工作臺(tái)面之間的不垂直度是影響最終加工件制造精度的一個(gè)關(guān)鍵因素。經(jīng)測(cè)量,立銑頭與工作臺(tái)面不垂直度誤差為0.1/300mm。經(jīng)計(jì)算調(diào)整后修正了立銑頭角度,二者之間的不垂直度誤差控制在0.03/300mm以內(nèi)。選用百分表校正圖4中408mm長(zhǎng)底邊的兩端點(diǎn),保證其平行于工作臺(tái)面,安裝4塊壓板后,最終工件保持緊密接觸狀態(tài)以進(jìn)行銑削加工。加工過程中,采用杠桿表不斷測(cè)量修正,使得6mm槽與30mm不對(duì)稱度滿足要求,控制在0.03mm以內(nèi)。槽寬和408mm長(zhǎng)底邊基準(zhǔn)面的不對(duì)稱度數(shù)值達(dá)標(biāo)后,最終加工的零件的實(shí)測(cè)值可達(dá)到圖紙中給出的具體數(shù)值。

5結(jié)語(yǔ)

目標(biāo)零件存在較多的不規(guī)則結(jié)構(gòu),同時(shí)曲面的存在對(duì)裝夾提出了更高的要求。根據(jù)圖紙目標(biāo)需求,公差標(biāo)準(zhǔn)要求高,而鈦合金材料特殊的加工難點(diǎn)使得部分型腔結(jié)構(gòu)難以加工,常規(guī)刀具無(wú)法使用。本文針對(duì)這些問題,對(duì)夾具進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì),選擇了合適的刀具材料并改進(jìn)了刀具結(jié)構(gòu),最終對(duì)機(jī)床夾具和工藝路線進(jìn)行調(diào)整后,實(shí)現(xiàn)了難加工型腔的順利制造,同時(shí)精度公差指標(biāo)亦滿足圖紙目標(biāo)需求。針對(duì)傳統(tǒng)方法加工效率低的問題,本文提出的以銑代錯(cuò)的加工方法有效提高了加工效率。