超大型鈦合金航空結(jié)構(gòu)件腹板加工燒傷分析

以某型號(hào)超大型鈦合金框類工件為研究對(duì)象，對(duì)腹板加工燒傷問題進(jìn)行原因分析與控制研究。從現(xiàn)場(chǎng)操作、工藝方法、刀具應(yīng)用與機(jī)床監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行分析，應(yīng)用5why分析法得到根本原因?yàn)榈毒咴O(shè)計(jì)與監(jiān)控預(yù)警管理缺陷。設(shè)計(jì)安裝了激光測(cè)刀系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床載荷提升監(jiān)控有效性、規(guī)范刀具結(jié)構(gòu)與壽命管理優(yōu)化的技術(shù)方法，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工件加工過程實(shí)行穩(wěn)定有效監(jiān)控。結(jié)果表明，實(shí)施優(yōu)化策略后能夠避免工件加工燒傷，對(duì)航空鈦合金高速穩(wěn)定加工具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。1

序言鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和耐熱性高等優(yōu)良的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。與鋁合金材料相比，鈦合金的熱導(dǎo)率低，變形系數(shù)小且化學(xué)活性高，是一種典型的難加工材料，其切削加工的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在刀具吸收的切削熱太多，導(dǎo)致刀具磨損加快甚至破損[1-6]。通過技術(shù)及管理手段將刀具加工信息及時(shí)反饋并預(yù)警，對(duì)刀具現(xiàn)場(chǎng)加工過程中的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[7-10]。因此，本文針對(duì)復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)件加工燒傷失效的影響進(jìn)行分析，并對(duì)不同加工工況的工程應(yīng)用展開研究，特別是腹板加工燒傷典型問題，以鈦合金框類航空結(jié)構(gòu)件腹板燒傷情況作為考察對(duì)象，通過刀具使用與加工過程監(jiān)控等技術(shù)管理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)超大型鈦合金框類工件燒傷質(zhì)量問題的進(jìn)一步穩(wěn)定控制，對(duì)提高航空制造業(yè)整體技術(shù)水平具有重要工程應(yīng)用意義。2

原因剖析大型臥式機(jī)床在加工某超大框類工件精銑腹板時(shí)，一處框格腹板加工燒傷，范圍106mm×104mm×2.7mm（長(zhǎng)×寬×深），工件材料為TC4，毛坯價(jià)值超過100萬元。工件一處框格腹板加工燒傷（見圖1），刀桿底部有熔融粘接痕跡。圖1零件腹板燒傷區(qū)域2.1根本原因剖析5why分析法是一種診斷性技術(shù)，被用來識(shí)別和說明因果關(guān)系鏈，避開主觀假設(shè)和邏輯陷阱，找到問題的根源，從根源著手去改善問題[11]。應(yīng)用5why分析法對(duì)大型鈦合金框類工件腹板加工燒傷問題進(jìn)行深度剖析，流程見表1，得到根本原因是：刀具產(chǎn)生磨損、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷、缺少刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)評(píng)價(jià)規(guī)范與機(jī)床監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)管理規(guī)范。表15why法分析流程2.2刀具原因分析刀具為可轉(zhuǎn)位刀具JDXTIAY4GNT/32*10*80R3，直徑32mm，刃長(zhǎng)10mm，工作長(zhǎng)度80mm，底角R3mm，4齒，容屑深度為0.7mm，刀片材質(zhì)為硬質(zhì)合金，刀桿材質(zhì)為鋼件，加工對(duì)象為鈦合金。故障發(fā)生時(shí)刀桿底部有熔融粘接痕跡，有一處約4mm×6mm的積屑瘤，積屑瘤頂部已磨平至與刀尖等高，刀具一刀齒內(nèi)側(cè)有缺損，如圖2所示。圖2刀具損傷根據(jù)程序仿真，故障區(qū)域與機(jī)床監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警的時(shí)間相符，此處設(shè)備功率最大達(dá)到20%（通常功率為5%～10%）。操作者檢查時(shí)刀具在工件上未抬刀，積屑瘤隱藏在刀具底部，而刀具周齒無缺損，所以未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)分析，刀具發(fā)生損傷的主要原因如下。（1）刀具容屑空間不足從更換新刀具開始到發(fā)現(xiàn)故障，該刀具已加工了約180min（在使用壽命內(nèi)），刀具加工前確認(rèn)無破損，在加工過程中刀齒底角R3mm發(fā)生少量破損，造成切屑形狀異常，進(jìn)而導(dǎo)致切屑排出不暢，進(jìn)入刀具底部。刀具底部無切削能力，而且刀具容屑空間僅0.7mm，切屑與工件腹板摩擦升溫，在刀具底部堆積形成積屑瘤，工件被燒傷。刀具關(guān)鍵參數(shù)包括加工材料、齒數(shù)、工作長(zhǎng)度、刃長(zhǎng)、底角R和刀具直徑，未考慮到可轉(zhuǎn)位刀具底部容屑空間對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此未對(duì)容屑空間提出具體要求。（2）刀具切削穩(wěn)定性差刀具材料問題、過度使用及切削力不穩(wěn)定均可能造成刀具破損。根據(jù)刀具實(shí)物故障調(diào)查，刀具出廠和驗(yàn)收均未顯示材料存在問題。刀具平均使用壽命為320min，而實(shí)際刀具加工時(shí)間為180min，在刀具使用壽命范圍內(nèi)，不存在過度使用的情況。由于鈦合金屬于難加工材料，加之相同工件熱處理后變形的狀態(tài)和粗加工后的余量存在差異，在加工過程中變形、讓刀等原因會(huì)造成局部切削穩(wěn)定性不足的情況，自身的硬度導(dǎo)致刀具磨損快，規(guī)律性差，所以刀具加工的切削穩(wěn)定性較差。2.3監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)分析加工所使用的監(jiān)控系統(tǒng)屬于新技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)仍處在不斷的更新中，相關(guān)的制度和規(guī)范尚不完善。該系統(tǒng)一直存在誤報(bào)警的情況，其主要原因?yàn)橄到y(tǒng)學(xué)習(xí)不成功。加工首件工件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，收集加工狀態(tài)，設(shè)定監(jiān)控極限值，但只要存在加工暫停，系統(tǒng)便認(rèn)為學(xué)習(xí)結(jié)束，再次啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)便進(jìn)入監(jiān)控階段。這時(shí)的加工沒有執(zhí)行學(xué)習(xí)，未設(shè)定極限值，當(dāng)后續(xù)加工該類工件時(shí)，程序運(yùn)行到學(xué)習(xí)暫停段位后，系統(tǒng)檢測(cè)出負(fù)載，由于當(dāng)前無極限值，系統(tǒng)檢測(cè)認(rèn)為過載，產(chǎn)生報(bào)警，該類報(bào)警屬于誤報(bào)警信息。在已有的加工規(guī)范中，對(duì)于正常報(bào)警和誤報(bào)警的區(qū)分、消除報(bào)警的規(guī)范性操作未進(jìn)行有效說明。系統(tǒng)報(bào)警后，操作者一方面未對(duì)刀具整體進(jìn)行檢查，只檢查了刀具周齒，忽略了底齒部位；另一方面在處理機(jī)床報(bào)警時(shí)，無法直接獲取有效信息，判斷報(bào)警的具體原因，只能憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及外觀檢查結(jié)果判定為誤報(bào)警，后消除報(bào)警繼續(xù)加工，導(dǎo)致系統(tǒng)監(jiān)控失效。系統(tǒng)監(jiān)控過程如圖3所示。圖3系統(tǒng)監(jiān)控過程該問題暴露出在該系統(tǒng)應(yīng)用過程中存在技術(shù)不成熟和管理紕漏的問題，對(duì)操作者應(yīng)采取的應(yīng)對(duì)措施未作出規(guī)范，導(dǎo)致此質(zhì)量問題未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而造成質(zhì)量故障，導(dǎo)致高價(jià)值工件報(bào)廢。3

優(yōu)化策略3.1刀具結(jié)構(gòu)與管理優(yōu)化（1）刀具壽命管理建立并定時(shí)更新刀具壽命庫（見表2），包含刀具適用的切削環(huán)境，刀具適用的壽命范圍，避免刀具破損造成產(chǎn)品故障。如果發(fā)生連續(xù)5把刀具在壽命期內(nèi)損壞的情況，則立即核查刀具壽命及適用環(huán)境，更新刀具壽命表，且刀具壽命至少每年度更新一次。表2刀具壽命庫示意（2）刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化故障前使用的刀具容屑空間原為1.5mm，后來供應(yīng)商將刀具容屑空間更改為0.7mm，而刀具庫中另一廠家生產(chǎn)的刀具容屑空間為2.2mm（見圖4）。兩種容屑空間不同的刀具，卻采用同一刀具號(hào)進(jìn)行管理，充分暴露出刀具管理過程中未充分識(shí)別刀具容屑空間對(duì)加工的影響。圖4刀具容屑空間2.2mm為促進(jìn)刀具使用的科學(xué)性、合理性和規(guī)范化，提高刀具加工效率，降低刀具損耗，減少刀具使用過程中的質(zhì)量故障，需要制定刀具使用管理規(guī)定，指導(dǎo)刀具的應(yīng)用和管理：底齒不過中心的可轉(zhuǎn)位新刀具，應(yīng)對(duì)刀具底齒無切削刃的區(qū)域（見圖5）進(jìn)行尺寸復(fù)查，尺寸應(yīng)滿足現(xiàn)有同類型刀具尺寸的最低使用要求。如：現(xiàn)用于鈦合金加工的底齒不過中心的可轉(zhuǎn)位方肩立銑刀JDXTIAY4GNT/32*10*80R3，底齒不過中心即沒有切削刃區(qū)域?yàn)橹睆紻CK＝20mm，深度HK＝0.5mm，若其他新刀具此部分尺寸小于該尺寸，則不予使用。圖5底齒無切削刃區(qū)域示意（3）激光測(cè)刀監(jiān)控測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)刀具長(zhǎng)度作為刀具標(biāo)準(zhǔn)值，在機(jī)床調(diào)取待用刀具后，加工前將刀具放置在測(cè)刀儀兩測(cè)頭之間，應(yīng)用激光測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)刀具直徑與底角，測(cè)刀系統(tǒng)硬件如圖6所示。將測(cè)量值與刀具標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，若在刀具使用誤差范圍內(nèi)則刀具完好，可繼續(xù)加工；若超出刀具標(biāo)準(zhǔn)值一定范圍，則測(cè)刀系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提醒操作者刀具不滿足要求，需更換刀具，避免因刀具錯(cuò)誤或破損發(fā)生工件質(zhì)量問題。圖6測(cè)刀系統(tǒng)硬件3.2監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)管理（1）監(jiān)控系統(tǒng)學(xué)習(xí)采樣在學(xué)習(xí)采樣階段，工件首次加工時(shí)，若監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)無當(dāng)前監(jiān)控號(hào)段學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，則通過采集首件加工過程中的功率數(shù)據(jù)，作為該監(jiān)控號(hào)段的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。（2）監(jiān)控系統(tǒng)加工監(jiān)控預(yù)警數(shù)控加工過程中，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前監(jiān)控號(hào)段有學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)時(shí)，通過采樣學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，設(shè)置相對(duì)應(yīng)的監(jiān)控閾值線（見圖7）。一般情況下，Wear（磨損）監(jiān)控線設(shè)置較低的監(jiān)控閾值，在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上放大30%，允許加工過程中實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)超過該閾值線持續(xù)2s，超過2s后實(shí)施報(bào)警停機(jī)；Break（破損）監(jiān)控線在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上放大50%，允許加工過程中實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)超過該閾值線1s，超過1s后觸發(fā)報(bào)警停機(jī)功能；Overload（過載）報(bào)警線設(shè)置較高的監(jiān)控閾值，在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上放大一倍，加工過程中實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)一旦超過該閾值線立刻報(bào)警停機(jī)。圖7

監(jiān)控閾值線（3）監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警處置系統(tǒng)出現(xiàn)監(jiān)控報(bào)警時(shí)，若刀具停止在工件上，需對(duì)加工過程進(jìn)行分析，檢查刀具或工件的加工狀態(tài)，若刀具或工件出現(xiàn)故障，須通知相關(guān)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)。4應(yīng)用驗(yàn)證為驗(yàn)證優(yōu)化控制策略對(duì)超大型鈦合金框類工件腹板加工燒傷的效果，在某數(shù)控設(shè)備上以加工的30項(xiàng)超大型鈦合金框類工件作為對(duì)象開展了應(yīng)用驗(yàn)證，具體情況見表3。表3驗(yàn)證情況由表3統(tǒng)計(jì)的某超大型鈦合金框類工件采用優(yōu)化策略后的腹板加工燒傷情況可以看出，實(shí)施本文提出的優(yōu)化控制策略后，未發(fā)生由于腹板加工燒傷導(dǎo)致的工件故障。另外，設(shè)備誤報(bào)警次數(shù)由208次/年銳減至23次/年。由此可見，本文提出的超大型鈦合金框類工件腹板加工燒傷優(yōu)化策略對(duì)腹板加工燒傷有顯著的改善效果。5結(jié)束語結(jié)合超大型鈦合金框類工件腹板加工燒傷分析，得出結(jié)論如下。1）超大型鈦合金框類工件腹板加工燒傷根本原因是刀具使用與加工過程監(jiān)控失效。2）設(shè)計(jì)安裝激光測(cè)刀硬件系統(tǒng)，建立刀具壽命庫，規(guī)范刀具使用管理，特別針對(duì)刀具底