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鈦合金小型模鍛件的加工

ainet.cn   2022年09月22日

        圍繞小型模鍛件角盒的加工方案展開研究,從難點分析、方案設計、工藝準備和加工過程等方面進行綜合論述,通過選擇合適的數(shù)控設備和裝夾方式,制定數(shù)控加工路線與難點解決措施,實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的數(shù)控批量加工。

1    序言
        在航空鈦合金加工領域,超過70%的小型零件(定義為輪廓最大尺寸≤200mm)采用模鍛技術制作毛坯。如何利用先進的數(shù)控加工替代老舊的常規(guī)加工,實現(xiàn)小型模鍛件的高效優(yōu)質(zhì)數(shù)控加工,成為當前鈦合金加工面臨的主要問題。

2    工模鍛件結(jié)構分析和技術要求

2.1  模鍛件結(jié)構分析
        圖1所示模鍛件余量最小處為左側(cè)外形,對比樣板后測量約為4mm;余量最大處為內(nèi)形底角處,對比零件數(shù)模測量約為22mm。模鍛件拔模角度為8°,端頭處由上至下余量分布為4~12mm,余量不均勻,屬于典型的不規(guī)則模鍛件。


圖1  模鍛件

2.2  零件技術要求
        零件材料為TA15 M,輪廓尺寸為64mm×152mm×44mm。零件腹板兩側(cè)均為雙曲面,厚度分別為3.1~3.25mm和2.1~2.2mm;緣條厚度分別為2mm、3mm和4mm,除4mm處公差為±0.15mm外,其余公差均為±0.12mm,屬于典型的薄壁角盒零件。

2.3 零件的結(jié)構工藝性分析
        零件的結(jié)構工藝性分析是指在滿足使用要求和設計要求的前提下,分析加工制造的可行性和經(jīng)濟性的過程[1]。該零件的結(jié)構工藝性分析如下。
1)零件的內(nèi)槽和緣條之間的轉(zhuǎn)角大小以及內(nèi)槽和腹板之間的底角大小決定了刀具的選擇,將直接影響零件的加工工藝性。零件底角和轉(zhuǎn)角尺寸如圖2所示,底角有R4mm、R8mm兩種規(guī)格,轉(zhuǎn)角也有R4mm、R8mm兩種規(guī)格,轉(zhuǎn)角、底角規(guī)格不統(tǒng)一,無法使用單規(guī)格刀具完成精加工,后續(xù)工藝安排時應結(jié)合加工方案充分考慮刀具選擇。


圖2 零件底角和轉(zhuǎn)角尺寸

2)零件的外形、腹板尖角處存在多處雙曲面,三坐標加工困難,即使通過編程指令實現(xiàn)加工,零件表面質(zhì)量也相對較差,加工效率也會受到影響。且零件局部厚度<3mm,屬于薄壁部位,相對于三坐標行切,使用五坐標擺刀加工更能保證零件厚度要求,后續(xù)選擇設備時應充分考慮。
3)毛坯結(jié)構應便于裝夾、加工。分析該角盒毛坯特點,兩側(cè)余量不均勻,較高一側(cè)外形余量4~12mm,預留加工凸臺最少需要3mm(壓點位置)加切斷凸臺使用的刀具直徑值,顯然該毛坯余量不滿足預留凸臺的條件;若使用壓制零件本身加工,則加工過程中需要多次竄動壓板,實現(xiàn)銑刀的躲避,而零件自重較小,竄動壓板、多次裝夾必然導致零件竄動,嚴重影響零件的加工穩(wěn)定性,存在較大安全風險;觀察毛坯,不屬于典型的四方或者六方零件,使用虎鉗加工的可能性極低。因此,只能通過修改鍛件模型或者焊接增材的方式增加工藝耳片,實現(xiàn)穩(wěn)定、便捷的裝夾加工,后續(xù)選擇裝夾方式時應充分考慮。

3    數(shù)控加工路線
        根據(jù)零件的技術要求和結(jié)構特點分析,本著機床周轉(zhuǎn)盡量少、加工工序盡量少的原則,選用五坐標立式加工中心進行加工,這樣整個機械加工過程就能約束在同一臺機床上完成,正反面兩個工位安排工序就能實現(xiàn)零件全部數(shù)控加工到位,實現(xiàn)了裝夾、周轉(zhuǎn)次數(shù)最小化,能夠更好地保證零件的尺寸精度,同時提升整體效率。
        依據(jù)“先面后孔、先粗后精、先主后次、基面先行”的原則,初步制定角盒零件數(shù)控加工工藝流程見表1。

表1 角盒零件數(shù)控加工工藝流程

4    工藝難點與解決措施
        圍繞數(shù)控加工路線及零件結(jié)構工藝性分析,確定加工細節(jié),主要內(nèi)容如下。
1)工藝準備階段主要解決裝夾定位問題,創(chuàng)新使用氬弧焊焊接工藝耳片的方式增加裝夾定位用凸臺。
        選擇焊接方式及耳片結(jié)構時,主要考慮焊縫強度及熱影響區(qū)兩方面因素。在滿足強度要求的情況下,工藝耳片厚度應盡可能小,以方便后續(xù)切除。該角盒零件輪廓尺寸<250mm,依據(jù)前期焊接試驗結(jié)論,設置兩處10mm厚工藝耳片即可滿足強度要求。根據(jù)現(xiàn)場壓板尺寸一般為50mm,基準孔直徑加切斷耳片用刀具直徑約30mm,設置耳片尺寸為50mm×35mm×δ10mm。工藝耳片采用單側(cè)V形坡口,坡口深度4mm,焊接電流100A,此時10mm工藝耳片可完全焊透,零件側(cè)熱影響區(qū)約為3.5~4.2mm,毛坯余量滿足要求。焊接形式如圖3所示。因工藝耳片位置精度要求較低,而手工氬弧焊操作簡單,所以為耳片焊接首選。


圖3 焊接形式

        通過增加工藝耳片,在耳片上鉆制2個φ12mm基準孔,滿足一面兩孔數(shù)控加工快速裝夾定位,且每個工序只需一次裝夾即可完成加工,有效保障了零件的尺寸精度和表面質(zhì)量。焊接凸臺如圖4所示。


圖4 焊接凸臺示意

2)粗加工主要去除多余余量,對加工表面質(zhì)量及尺寸精度要求較低,主要以順銑為主,可以減少刀具損耗,保持機床平穩(wěn)[2];半精加工的目的是去除粗銑后殘留,去除拐角處局部大量,盡量保證精加工余量均勻,同時判斷零件變形及裝夾情況是否合格;精加工的目的是按照設計要求,將所有尺寸加工到位,同時保證零件加工表面質(zhì)量達到最優(yōu),在切削過程中極易造成擦傷和接刀棱,所以必須控制加工速度,以低速進行[3]。依據(jù)上述原則,該角盒零件數(shù)控加工過程中的刀具安排及加工策略見表2。

表2  數(shù)控加工過程中的刀具安排及加工策略

        分析以上方案,粗銑采用Z 向分層的策略,因零件輪廓尺寸較小,余量較少,可以直接使用φ20mm刀具進行粗銑,與大直徑刀具粗銑效率相差無幾,且后續(xù)無需清理轉(zhuǎn)角,反而提升加工效率;針對內(nèi)形轉(zhuǎn)角、底角均有R8mm、R4mm兩種規(guī)格的問題,精銑先采用D20R4刀具進行加工,然后使用D8R4刀具對R4mm轉(zhuǎn)角和R8mm底角進行行切補加工,實現(xiàn)零件完全數(shù)控加工到位的目標;對于雙曲面結(jié)構,采用行切策略加工到位,殘留高度設置為0.01mm,滿足表面粗糙度值Ra=3.2μm的設計要求。

5    結(jié)束語
        該角盒零件的數(shù)控加工均是在藍寶蒂RAMMATIC 1001型五坐標立式加工中心上完成,顯示出了五坐標擺軸加工的優(yōu)異性。通過創(chuàng)新使用焊接工藝耳片的裝夾方式,完美實現(xiàn)了小型模鍛件數(shù)控加工的快速定位裝夾。后續(xù)刀具、編程策略及加工順序合理安排選擇,達到了穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)和高效加工,對于類似零件的數(shù)控加工具有一定的借鑒意義。

參考文獻:
[1] 王國彪,劉中. 鈦合金殼體件數(shù)控加工工藝研究[J]. 現(xiàn)代制造技術與裝備,2012(2):34,43.
[2] 孫麗敏. 超長鈦合金燕尾梁的數(shù)字化制造[J]. 工具技術,2019(8):97-100.
[3] 李灼華,張磊,陳陽,等. 鈦合金加工技術進展研究[J]. 中國新技術新產(chǎn)品,2017(10):54-55.
        本文發(fā)表于《金屬加工(冷加工)》2022年第9期第36~38頁,作者:航空工業(yè)沈飛(集團)有限公司 趙軍、孫國雁、張旺,原標題:《鈦合金小型模鍛件的加工》。

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