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        TC4鈦合金引信天線零件精密加工研究

        2012-12-03 02:54:10楊翰林
        制導(dǎo)與引信 2012年3期
        關(guān)鍵詞:變形優(yōu)化

        楊翰林, 黃 信, 陳 路

        (上海無線電設(shè)備研究所,上海200090)

        0 引言

        鈦金TC4有高強(qiáng)度比,耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。對導(dǎo)彈的性能提高有著極其重大的作用。鈦合金材料從設(shè)計(jì)使用角度上具有顯著的優(yōu)越性,而從機(jī)械加工角度講,屬于難切削材料,加工難度較大,尤其是應(yīng)用于引信天線的細(xì)長薄型板材結(jié)構(gòu)件的加工。同時(shí),零件上分布有四五十個微小波導(dǎo)縫隙,尺寸精度達(dá)±0.01 mm,也為零件的數(shù)控加工帶來極大挑戰(zhàn),其加工制造難度也成倍提高。

        雖然目前先進(jìn)的數(shù)控加工設(shè)備可以達(dá)到很高的剛度和精確的運(yùn)動控制,但該類零件在加工過程中存在殘余應(yīng)力、裝夾力、切削力、切削熱等因素作用,零件極易發(fā)生加工變形和切削振動,導(dǎo)致加工誤差,從而難以保證零件的加工精度和表面質(zhì)量,嚴(yán)重情況下造成零件報(bào)廢。因而,在保證加工效率的同時(shí),如何采用有效措施控制或減少加工變形,保證加工質(zhì)量是一個亟待解決的問題。

        針對TC4鈦合金引信天線銑削加工變形產(chǎn)生的主要原因,通過理論研究和多年的實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),以切削力為研究對象,分析切削參數(shù)和切削力之間的關(guān)系,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,通過CAM軟件對切削刀路進(jìn)行優(yōu)化分析。這些理論和方法對于TC4鈦合金引信天線的高效精密數(shù)控銑削具有一定的指導(dǎo)意義[1,2]。

        1 加工材料、設(shè)備及刀具

        加工采用的是 TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金,這是目前鈦合金中用量最大且性能數(shù)據(jù)最為齊全的一種鈦合金。其合金元素主要為Al和V,Al為α穩(wěn)定化元素,V具有β穩(wěn)定化作用,這兩種元素都有著顯著的固溶強(qiáng)化作用,在提高合金強(qiáng)度的同時(shí),能保證良好的塑性和熱穩(wěn)定性。TC4鈦合金具有良好的力學(xué)性能和工藝性能(包括熱變形性、焊接性、切削加工性和抗蝕性)。正是由于鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、高溫強(qiáng)度高、化學(xué)活性大、熱導(dǎo)率低、彈性模量低等材料特性,給鈦合金銑削造成了很大的困難,使鈦合金成為典型的難加工材料。TC4鈦合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示[3,4]。

        表1 TC4化學(xué)成分和力學(xué)性能

        引信天線中接收引信上部和發(fā)射引信上部其結(jié)構(gòu)極其容易變形,零件長達(dá)大于300 mm,內(nèi)部有四五十個精度達(dá)±0.01裂縫。彎波導(dǎo)零件為雙面斜坡的零件。斜面精度要求±0.02。這給零件加工帶來極大的挑戰(zhàn)。組件圖和零件尺寸如圖1所示。

        圖1 引信天線組件和尺寸

        為了滿足零件要求,選擇的加工設(shè)備是哈默C800進(jìn)口五軸加工中心,標(biāo)稱轉(zhuǎn)速10 000 rpm,伺服系統(tǒng)精度等級0.008 mm,如圖2所示。

        圖2 哈默C800

        選擇專門針對不銹鋼、耐熱合金和鈦合金等難切削材料,具有不等螺旋角,提高刀具的抗振性,有效地延緩了刀具的崩刃。圖3為0.4 mm的刀具。

        圖3 0.4 mm銑刀

        2 切削參數(shù)優(yōu)化

        2.1 切削力試驗(yàn)方案

        加工設(shè)備:哈默C800五坐標(biāo)加工中心。

        測量儀器:Kistler-9 255B壓電測力儀。

        刀具:0.4 mm三齒圓柱立銑刀。

        銑削方式:順銑。

        試驗(yàn)安排:采用四因子四水平正交試驗(yàn)方法見表2。

        表2 四因子四水平正交試驗(yàn)

        對TC4切削時(shí),影響銑削力大小的因素進(jìn)行比較分析,并建立切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?。圖中,ap為軸向切深、n為主軸轉(zhuǎn)速、f為進(jìn)給量、ae為徑向切深。

        2.2 切削力經(jīng)驗(yàn)公式

        在機(jī)床特征和刀具幾何參數(shù)確定的前提下,根據(jù)金屬切削原理,切削力與切削參數(shù)之間存在復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系,應(yīng)用多因素正交回歸試驗(yàn)建立切削力和切削參數(shù)之間的通用形式為

        式中:CF為決定于加工材料、切削條件的系數(shù);b1、b2、b3、b4分別 為 指 數(shù)。式 (1)兩 邊 分 別 取 對數(shù)得

        利用MATLAB對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析,利用最小二乘法得到三向切削力最大值Fxmax、Fymax、Fzmax與軸向切削深度ap、主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量f、徑向切深ae之間的線性回歸模型:

        利用MATLAB對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性逐步回歸分析。對于Fxmax軸向切深的影響最為顯著,而徑向切深的影響不顯著。對于Fymax四個切削參數(shù)的影響均顯著,其中徑向切深和軸向切深的影響比其他兩個因素顯著。對于Fzmax軸向切深影響顯著,其他三個切削參數(shù)影響不顯著,得出切削力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

        本文建立的切削力模型的切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與切削力經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)果吻合較好,為TC4鈦合金小直徑刀具的切削參數(shù)優(yōu)化提供了可靠的理論基礎(chǔ)。通過切削力模型優(yōu)化和實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)選擇最優(yōu)的切削參數(shù):軸向切削深度ap為0.1 mm,主軸轉(zhuǎn)速n為1 700 r/min、進(jìn)給量f為80 mm/min、徑向切深ae為0.28 mm[5]。

        2.3 加工驗(yàn)證

        薄板零件加工的效率和工件變形很大程度上取決于加工的走刀策略。走刀路徑不同導(dǎo)致工件內(nèi)原有殘余應(yīng)力釋放順序不同,同時(shí)由于切削力和切削熱作用,產(chǎn)生新的應(yīng)力,走刀路徑不同,新的應(yīng)力與毛坯中原有殘余應(yīng)力的藕合順序和藕合效果也不同,從而造成工件不同程度的變形。

        在引信天線接收上部縫隙的加工中,由于刀具直徑小,因此在Z向下刀時(shí)不可采用傳統(tǒng)的Z向直接下刀方式(刀具直接Z向下刀會使刀具處于滿刀切削狀態(tài),極易造成刀具折斷),因此在下刀刀路選擇上必須采用漸進(jìn)下刀方式,減少刀具所受阻力,在Mastercam通常采用折線進(jìn)刀與螺旋進(jìn)刀兩種方式,在該零件加工中,由于冗余尺寸小于0.05 mm,則擬采用折線進(jìn)刀方式加工[6,7]。

        正式加工前需借助編程軟件進(jìn)行刀路仿真,仿真如圖4所示。

        圖4 刀路仿真

        通過切削參數(shù)優(yōu)化和刀路軌跡優(yōu)化,加工完成的零件達(dá)到設(shè)計(jì)要求,加工零件如圖5所示。

        圖5 零件

        3 結(jié)論

        本文針對TC4鈦合金引信天線精密數(shù)控加工進(jìn)行深入研究,基于該類零件的技術(shù)特點(diǎn),通過四因子四水平正交實(shí)驗(yàn)方法和多元線性逐步回歸分析建立0.4 mm超小刀具TC4鈦合金切削力數(shù)學(xué)模型,分析各切削參數(shù)對切削力的影響程度。通過該數(shù)學(xué)模型和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化了切削參數(shù)。通過Master CAM軟件對刀路軌跡進(jìn)行優(yōu)化、模擬和仿真,加工出符合設(shè)計(jì)要求的合格零件。

        [1] 鄔曉靜.引信天線與天線罩測量技術(shù)[J].上海航天,2003,(5).

        [2] 朱秀榮.?dāng)?shù)控機(jī)床加工精度和生產(chǎn)率的優(yōu)化研究[D].吉林大學(xué)碩士論文,2010.

        [3] 王宗榮,左敦穩(wěn),等.TC4鈦合金高速銑削參數(shù)的模糊正交優(yōu)化[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,29(6).

        [4] 劉東,陳五一,等.鈦合金TC4切削過程流動應(yīng)力模型研究[J].塑性工程學(xué)報(bào),2008,15(1).

        [5] 劉振學(xué),黃仁和,田愛民.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[J].化學(xué)工業(yè)出版社,2004,8(39-75).

        [6] 曹巖.Mastercam X精通篇[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

        [7] 黃信,趙立,等.毫米波天線縫隙陣列板數(shù)控加工技術(shù)研究[J].制導(dǎo)與引信,2011,32(1).

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