摘要:本文對復(fù)雜型面的鈦合金零件加工工藝進行了分析,通過合理的夾具設(shè)計、專用成形刀具的設(shè)計制作以及機床及夾具的調(diào)整,圓滿地完成了型腔的加工,保證了零件的設(shè)計公差要求。
本次銑削任務(wù)源自于某飛行器翼面裝配弧面及定位槽的銑削加工成形,加工材料為TC4(鈦合金)。該零件形狀復(fù)雜,材料切削性能差,裝夾要求高,為了保證加工質(zhì)量,提高加工效率,對其生產(chǎn)過程做了以下分析。
鈦合金的切削特點如下:①變形系數(shù)小。切屑在前刀面上滑動摩擦的路程增大,加速刀具磨損。②切削溫度高。由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較小,切屑與前刀面的接觸長度短,切削熱不易傳出,集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi),切削溫度較高。相同切削條件下,切削溫度比切削45鋼時高出一倍以上。③單位面積切削力大。雖然主切削力比切削鋼時約小20%,但由于切屑與前刀面的接觸長度短,單位接觸面積上的切削力大幅增加,易造成崩刃。同時,由于鈦合金的彈性模量小,加工時在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形,引起振動,加大刀具磨損并影響零件精度。因此,要求工藝系統(tǒng)應(yīng)具有較好的剛性。④冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重。由于鈦化學(xué)活性大,在高的切削溫度下,極易吸收空氣中的氧和氮而形成硬而脆的外皮;同時切削過程中產(chǎn)生的塑性變形也會造成表面硬化。冷硬現(xiàn)象不僅會降低零件的疲勞強度,還會加劇刀具磨損,是切削鈦合金時的一個很重要的特點。⑤刀具易磨損。鈦合金對刀具材料的化學(xué)親和性強,在高切削溫度以及單位面積大切削力的條件下,刀具易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。
加工鈦合金的刀具材料可選用硬質(zhì)合金刀具或高速鋼刀具,根據(jù)鈦合金的切削特點,在刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)要求上,采取了以下措施:①選用硬質(zhì)合金刀具時,為避免切削時工件與刀具中的鈦元素發(fā)生親和,不宜采用Y T類硬質(zhì)合金和涂層刀片,應(yīng)采用YG類、YH類合金;為提高切削刃強度并改善散熱條件,銑刀前角γo=0°~5°,后角αo=4°~10°,刀尖圓弧半徑控制在0.5mm;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v=12~15m/min,進給速度vf=20~75mm/min。②選用高速鋼刀具時,切削速度v=6~30m/min,進給速度vf= 20~60mm/min。
切削液使用大量極壓乳化液,潤滑好,冷卻效果佳。
考慮到工藝系統(tǒng)剛度要好,刀具懸伸量較小,以防切削振動。加工工藝過程如表1所示。
切削參數(shù)如表2所示。
按加工飛行器翼面的弧面要求,翼面弧面R104.9mm與彈艙外殼弧面相吻合。傳統(tǒng)的工藝方法是采用臥式鏜床加工,但是,經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn):這種加工方法的生產(chǎn)效率極低,一天只能加工4~5件,影響整體進度需求。為此,需通過對銑刀進行改制(見圖1),變更工藝路線,以銑代鏜來加工弧面R104.9mm。改正加工方法后,生產(chǎn)效率提高5倍多,每天可加工20~25件,不僅保證了用戶的時間進度要求,同時成功探究出一條以銑代鏜的工藝路線。
表1 加工工藝流程
工序 加工內(nèi)容 刀具 裝夾方法1 銑削弧面 φ22mm硬質(zhì)合金立銑刀 壓板裝夾2 銑削定位槽 φ60mm硬質(zhì)合金三刃面銑刀 壓板定位裝夾
表2 刀具切削參數(shù)
切削參數(shù)刀具 切削速度v/(m·min-1) 進給速度vf/(mm·min-1) 背吃刀量af/mm硬質(zhì)合金 14 45 3高速鋼 15 30 5
翼面定位槽的加工,槽深21.1mm,槽長280mm,槽寬6+0.0750 mm。槽用于翼面與飛行器艙體的裝配定位,須保證槽底尺寸R30mm,市場上無法購買到需要的銑刀,自制一把特殊的帶柄硬質(zhì)合金三面刃銑刀(見圖2),刀柄直徑16mm,銑刀直徑60 mm,厚度5mm,刀頭的材料選擇YG類,銑刀前角γo=3°,后角αo=8°,刀尖圓弧半徑為0.5mm,可以很好地保證槽底尺寸R30mm的精度要求。
圖 1
圖2 帶柄硬質(zhì)合金三面刃銑刀
由于翼面的兩面是斜面,必須選擇專用夾具進行裝夾,所以自制一個專用夾具(見圖3)。夾具設(shè)計要點:夾具體要承受較大的切削力,因此要有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。夾具體的安裝面應(yīng)足夠大,且盡可能做成周邊接觸的形式。銑床夾具通常通過定位鍵與銑床工作臺T形槽的配合來確定夾具在機床上的位置。定位鍵與夾具體配合多采用H7/h6。為了提高夾具的安裝精度,定位鍵的下部(與工作臺T形槽配合部分)可留有余量進行修配,或在安裝夾具時使定位鍵一側(cè)與工作臺T形槽靠緊,以消除間隙的影響。銑床夾具在夾具體上設(shè)有耳座,并通過螺栓將夾具牢固地緊固在機床工作臺的T形槽中。
圖3 自制專用夾具
根據(jù)圖樣要求,為保證零件的加工精度,需調(diào)整銑頭與工作臺面不垂直度,通過實測,立銑頭與工作臺面不垂直度誤差0.1mm/300mm。通過計算調(diào)整,確保了立銑頭角度,使其與工件臺面的不垂直度誤差控制在0.02mm/300mm以內(nèi),通過用百分表校正兩點,如圖3所示,使其與工作臺面平行,并用四塊壓板,壓緊工件進行銑削加工。加工時,通過用杠桿表校正,控制6mm槽與20mm不對稱度,使其達到0.03mm以內(nèi),保證了槽寬和基準(zhǔn)面的不對稱度,從而使零件達到圖樣要求。
該零件形狀不規(guī)則、裝夾困難、公差要求高、材料切削性能差、部分型腔加工困難且無現(xiàn)成刀具。通過合理的夾具設(shè)計、專用成形刀具的設(shè)計制作以及機床及夾具的調(diào)整,圓滿地完成了型腔的加工,保證了零件的設(shè)計公差要求。針對生產(chǎn)效率低、不能保證及時交貨的情況,通過對刀具的改制,以銑代鏜,合理地改變了工藝路線,在保證零件公差要求的同時,提高了生產(chǎn)效率,保證了零件的加工精度要求。