鈦合金格柵類零件的加工

1

序言某機(jī)鈦合金格柵類零件由于采用全新設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式，具有超深耳片孔、小轉(zhuǎn)角，剛性弱，給加工制造帶來極大的難度和挑戰(zhàn)。本文通過對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝性分析，找出加工難點(diǎn)，針對各個難點(diǎn)逐項研究，找出解決方案，為類似結(jié)構(gòu)鈦合金零件的加工提供參考。2

格柵類零件結(jié)構(gòu)及機(jī)械加工工藝性分析對于單個格柵板來說，其結(jié)構(gòu)主要由9個非均勻分布的耳片孔、10個非均勻分布的U形槽和6個電火花打孔區(qū)域組成。格柵零件由鈦合金材料的板材加工而成，最終腹板厚度為4mm，筋高為3mm，零件剛性較差，電火花加工后應(yīng)力分布嚴(yán)重不均，易造成較大變形。同時，耳片孔長度726mm，尺寸精度為φ5.1H9，長徑比極大，加工難度及風(fēng)險極高。格柵所有內(nèi)形及耳片轉(zhuǎn)角均為R2.5mm，加工效率較低，同時，刀具直徑小、易折斷。針對以上問題，主要從以下幾方面展開研究，逐個解決問題。（1）耳片孔加工工藝方案研究耳片孔長徑比達(dá)142，屬超大長徑比深孔。同時加工精度要求高，加工難度非常大。重點(diǎn)研究如何使耳片孔的精度滿足設(shè)計要求。（2）零件變形量控制方法研究分析板材毛料的內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)，設(shè)計零件在毛料應(yīng)力平衡區(qū)的位置布置；通過熱工藝方法的合理安排，進(jìn)一步消除零件內(nèi)部殘余應(yīng)力；通過數(shù)控加工走刀軌跡的合理優(yōu)化，減小機(jī)械加工過程中應(yīng)力的產(chǎn)生，最終達(dá)到控制零件變形量的目的。（3）小轉(zhuǎn)角創(chuàng)新性處理方案研究零件所有內(nèi)形轉(zhuǎn)角均為R2.5mm，目前一般廠商刀具的最小直徑為5mm，加工時效率低、刀具易折斷。研究采用創(chuàng)新性的擺線銑削、大小直徑刀具分別處理等方法，在提高零件加工效率的同時，有效降低刀具折斷風(fēng)險，提高零件質(zhì)量穩(wěn)定性。3

耳片孔加工難點(diǎn)圖1為格柵耳片孔，目前行業(yè)內(nèi)尚無加工如此長徑比的超細(xì)長鈦合金鉸鏈孔的經(jīng)驗。其加工難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①孔尺寸精度要求高，孔徑極易超差。鈦合金材料的特點(diǎn)是有一定的收縮性，加工過程中容易造成收口，形成“喇叭”孔，一端超上差、一端超下差。②工藝方案安排難度大。由于耳片孔的長徑比達(dá)142，目前國內(nèi)外現(xiàn)有資料信息中，無法找到加工此類深孔的方案可供借鑒，行業(yè)內(nèi)也從未有過此類超長深孔的加工先例。③刀具設(shè)計制造困難。鉆頭及鉸刀的長度需達(dá)到890mm以上，而刀具直徑為4.8～5.1mm，對刀具材料、加工工藝要求極高，同時跳動、直線度及刃部精度要求也極高。若刃部直徑偏差0.02mm以上，則無法加工出合格的產(chǎn)品。④工裝制造難度大。為了配合鉆頭及鉸刀的使用，需分別設(shè)計專用鉆模1套及專用鉸模1套。主要難度在于鉆模板的精度極高，同軸度要求0.03mm左右，工裝制造風(fēng)險極大。圖1格柵耳片孔示意4

優(yōu)化加工方案及采用專用工裝耳片孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其加工方案不可采用常規(guī)的鉆孔方案，經(jīng)多次論證，最終決定采用如下加工方案。

1）利用專用鉆模鉆制φ4.8mm底孔。先后使用300mm、500mm不同長度的鉆頭從零件兩側(cè)分別鉆孔，從而避免直接用長鉆頭而產(chǎn)生的鉆頭振顫、偏擺等問題，充分利用鉆頭的有效長度，只需使用耳片孔總長度一半長度的鉆頭即可。將鉆頭長度縮短一半意味著將耳片孔的長徑比縮短一半，可以有效避免鉆頭折斷，工藝性大大提高。該工藝方案的缺點(diǎn)：零件左右兩側(cè)的耳片孔可能不是同軸的，第4組和第5組耳片直徑會產(chǎn)生耳片孔中心軸線的突然錯位，給后續(xù)鉸孔增加了難度。2）利用專用鉸模鉸孔至φ4.9mm。為了解決耳片孔中心軸線錯位問題，特別設(shè)計φ4.9mm鉸刀的前引導(dǎo)為φ4.5mm，目的是保證鉸刀前引導(dǎo)能夠順利通過錯位的耳片，同時，φ4.9mm鉸刀（斜刃，有擴(kuò)孔作用）加工過后，對耳片孔的同軸度也有一定的修正作用。3）鉸孔至φ5mm。由于該工序鉸削量較小（0.1mm），鉸削余量也很均勻，所以加工穩(wěn)定性及加工質(zhì)量都比較好，同時也可進(jìn)一步修正孔中心軸線的偏離。4）鉸孔至φ5.1H9，保證最終孔的尺寸精度。該工序主要依賴最終鉸刀的制造精度及鉆模的制造精度，若兩者參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，制造精度滿足要求即可保證所有耳片孔最終尺寸精度。5

鉆頭和鉸刀參數(shù)及材料耳片孔的加工成功與否主要取決于刀具、工裝的精度。刀具存在的問題及解決措施如下。（1）鉆頭精度問題鉆頭的設(shè)計要求跳動量為0.01mm，實際上鉆頭放在平臺上，直線度已達(dá)3～4mm，產(chǎn)生了極大的變形。在使用過程中，鉆頭隨機(jī)床轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生了極大的偏心擺動，鉆頭桿已經(jīng)甩動成橢圓軌跡，直接導(dǎo)致鉆出的底孔不是直線，而是帶有一定撓度的“曲線”。且由于部分鉆頭尺寸不合格，無法順利通過鉆套，所以對鉆頭進(jìn)行改磨處理，后續(xù)在設(shè)計層面對鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，最終符合加工需求。（2）鉸刀參數(shù)設(shè)計問題耳片孔最終尺寸的保證，依靠最終使用的φ5.1H9鉸刀。按通用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，該鉸刀的刃部直徑為5.105～5.115mm，后引導(dǎo)尺寸為φ5.1f6，但是經(jīng)過對多個試驗件的試驗驗證，該尺寸參數(shù)的鉸刀無法加工出合格的耳片孔，超差率高達(dá)88%。后續(xù)經(jīng)過反復(fù)多次改磨刀具、試驗驗證，最終摸索出刀具的實際設(shè)計參數(shù)應(yīng)為：刃部直徑5.10～5.11mm，后引導(dǎo)直徑φ5.1mm。只有符合該公差范圍的鉸刀才能最終加工出合格的耳片孔，最終實現(xiàn)了零超差交付。（3）刀具材料問題原刀具材料為高速鋼，經(jīng)加工驗證，高速鋼材料強(qiáng)度及耐磨性不夠高，刀具磨損劇烈，后續(xù)與設(shè)計部門協(xié)調(diào)，將鉆頭、鉸刀材料全面改為硬質(zhì)合金。6

實施效果利用2件工藝試驗件驗證工藝方案的可行性，又利用6件地面臺架試驗件進(jìn)行了工藝方法完善和改進(jìn)，摸索出鉆頭、鉸刀設(shè)計參數(shù)及刀具材料。反復(fù)改制鉆模工裝，最終使格柵零件超長耳片孔的一次性加工合格率達(dá)到了100%。該工藝方案的成功，不僅填補(bǔ)了行業(yè)內(nèi)鈦合金超大長徑比細(xì)長孔加工研制的空白，更為后續(xù)相同結(jié)構(gòu)零件的加工儲備了技術(shù)能力。7

變形量控制方法研究由于造成零件變形的因素眾多，不同因素相互制約，關(guān)系錯綜復(fù)雜，所以應(yīng)從多個方面入手，多管齊下，解決變形問題，最終控制零件平面度在0.3mm以內(nèi)。1）分析鈦合金板材的應(yīng)力分布，調(diào)整零件在板材毛料中的位置，從源頭上避免應(yīng)力不均。依據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)，厚度30mm的鈦合金板材供應(yīng)狀態(tài)為熱軋退火狀態(tài)，熱處理制度為：750～850℃，15～120min，空冷。國內(nèi)外關(guān)于TA15M鈦合金板材材料性能方面的相關(guān)科研論文及試驗數(shù)據(jù)表明，其應(yīng)力分布狀態(tài)為：厚度方向中心部的拉應(yīng)力σb基本處于平衡狀態(tài)，即應(yīng)力對稱分布；而板材上下表面方向，拉應(yīng)力則逐漸增大。據(jù)此特別設(shè)計零件最終加工狀態(tài)的腹板中心在板材毛料厚度方向的中心對稱面上。零件在毛料中的位置如圖2所示。這樣在加工完零件之后，零件的腹板處由毛料帶來的殘余應(yīng)力就可以基本消除，對平面度的控制起到積極的作用。圖2零件在毛料中的位置示意2）安排熱處理工序，通過工藝方案的合理安排控制變形。雖然通過前述手段能夠極大程度地減少機(jī)械加工過程中殘余應(yīng)力的形成，但是殘余應(yīng)力在毛料熱軋、機(jī)械加工過程中仍會不可避免地出現(xiàn)，這就需要在機(jī)械加工過程結(jié)束后，安排熱處理工序，進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力。熱處理后即進(jìn)行電火花加工，由于電火花加工對零件的結(jié)構(gòu)改變巨大，應(yīng)力再次重新分布，故需在電火花加工工序后監(jiān)測零件的平面度，如＞0.3mm，則需重新進(jìn)行熱處理。8

小轉(zhuǎn)角的創(chuàng)新性處理方案格柵零件的內(nèi)形及耳片、U形槽端面與外形轉(zhuǎn)接處的轉(zhuǎn)角均為R2.5mm，這就要求加工此部位只能使用本廠最小直徑5mm的刀具。由于小直徑刀具的強(qiáng)度極差，所以極易發(fā)生折刀現(xiàn)象，導(dǎo)致加工速度極低且容易出現(xiàn)質(zhì)量風(fēng)險。達(dá)索軟件公司CATAIV5高版本軟件中，出現(xiàn)了Trochoid-Mill擺線銑削加工命令。擺線銑削能夠很好地解決切削力突變問題，非常適用于刀具強(qiáng)度及剛性差的情況。加工軌跡一圈套一圈，加工過程中處于切削狀態(tài)的時間較少，非常有利于解決鈦合金散熱不好的問題。擺線銑削可以實現(xiàn)相對大切削深度、小切削寬度和大進(jìn)給的切削方式，充分利用刀具有效刃長，可以實現(xiàn)滿刃長切削，有效提高金屬去除率。擺線加工由兩個運(yùn)動合成，分別為刀具自轉(zhuǎn)和刀具繞轉(zhuǎn)。刀具每繞轉(zhuǎn)一圈，刀具徑向切削一個單位，采用圓弧切向進(jìn)刀和退刀，切削深度從零開始逐漸增加到最大，然后再逐漸減小到零。同時，在擺線加工的整個過程中，切削力從零開始逐漸增大、到再減小的變化過程，一直是平緩均勻變化的狀態(tài)。擺線銑削和分層銑相比，刀具使用壽命提高3倍以上，加工效率提高3倍以上，加工優(yōu)勢非常顯著。擺線銑削與傳統(tǒng)加工方法的對比如圖3所示。a）傳統(tǒng)加工b）擺線銑削圖3擺線銑削與傳統(tǒng)加工方法的對比與傳統(tǒng)加工方法不同，擺線銑削的主要目的是在充分滿足徑向切削深度的情況下，避免槽銑等全浸入式銑削。這對于減少刀具的磨損、延長刀具使用壽命非常有利。而對于采用較小的刀具-工件包角有可能帶來的切削效率降低，在擺線銑削技術(shù)中，可以采用比常規(guī)銑削方法更大的軸向切削深度，以提高材料去除率。

擺線銑削加工技術(shù)可以采用較大的軸向切削深度，從而可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工中需要進(jìn)行多次分層的情況。擺線銑削加工技術(shù)在難加工材料的高效切削加工中作用顯著，從實測結(jié)果中可以看出，在相同的材料切除量與加工時間情況下，采用擺線銑削加工時的刀具磨損量遠(yuǎn)低于采用常規(guī)加工方法時的刀具磨損量。通過擺線銑削加工技術(shù)的應(yīng)用，加工小轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)可以取得事半功倍的效果，既保