楊 樣,夏 禹,李博陽,保 景,何 雪

(重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司,重慶 402760)

1 引 言

航空航天技術(shù)的發(fā)展日新月異,該領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的性能、強(qiáng)度、重量等指標(biāo)的要求越來越高。鈦合金材料因具有比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)件的優(yōu)選輕量化材料。

用鈦合金材料加工形成的零部件主要用于結(jié)構(gòu)中大承載、高溫度的特殊載荷部位。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn),武器系統(tǒng)中,使用鈦合金原材料加工的毀傷零部件在整個(gè)系統(tǒng)的使用量占比約為32%～47%。在沒有出現(xiàn)性價(jià)比更高的新型原材料前,鈦合金材料在武器系統(tǒng)中的用量占比將進(jìn)一步增加[1]。

薄壁是難加工結(jié)構(gòu)中的典型結(jié)構(gòu)。航空航天領(lǐng)域中,鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)的零部件普遍具有形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、加工尺寸公差小、表面粗糙度要求高等特征。因此,通過提高加工過程中的工藝系統(tǒng)剛度的手段,有效控制鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)零部件的加工變形,能進(jìn)一步提升制造技術(shù)水平,對(duì)提升生產(chǎn)能力具有重要的促進(jìn)作用。

2 薄壁件加工變形理論分析

2.1 工藝系統(tǒng)剛度定義

待加工工件以及加工工件時(shí)使用的刀具、夾具、機(jī)床等4個(gè)要素組成工藝系統(tǒng)。加工過程中,各組成部分會(huì)因受力產(chǎn)生不同程度的變形或位移,出現(xiàn)刀具與工件相對(duì)位置發(fā)生改變的超預(yù)期現(xiàn)象,從而影響工件的加工精度及表面加工質(zhì)量。研究表明,工件的讓刀變形主要受切削力法向分力Fy的影響。當(dāng)?shù)毒呦鄬?duì)工件在該法向分力方向上的讓刀量為ys時(shí),工藝系統(tǒng)剛度Ks定義為[2]:

(1)

2.2 薄壁件加工變形分析

薄壁結(jié)構(gòu)零部件受自身剛性差這一特性的影響,生產(chǎn)過程中變形、讓刀情況相較其它結(jié)構(gòu)零部件更嚴(yán)重,出現(xiàn)工件相對(duì)刀具的相對(duì)位移增加情況的概率極大。航空航天領(lǐng)域中的鈦合金薄壁件,大多數(shù)通過銑削加工方法完成,因加工過程中銑削切除的金屬余量較多,極易產(chǎn)生讓刀造成的零件尺寸超差、切削振顫導(dǎo)致的表面粗糙度降低等情況,嚴(yán)重影響零部件最終的加工精度及由于粗糙度不達(dá)標(biāo)造成裝配精度超出預(yù)期。

由式(1)可知:(1)在切削力Fy不改變的情況下,要提高工藝系統(tǒng)剛度Ks,只有減小刀具相對(duì)位移ys值,如此才能減小或控制工件加工后的變形情況;(2)在刀具相對(duì)位移ys一致的情況下,需盡可能提高切削力Fy,才能提高工藝系統(tǒng)剛度Ks,這就需要優(yōu)先選用剛度高的生產(chǎn)設(shè)備。

如圖1所示,從提高工藝系統(tǒng)剛度的角度分析,需從減小刀具讓刀相對(duì)位移、提高切削力兩方面著手[3]。要減小刀具讓刀位移,需從控制切削深度大小、控制每齒進(jìn)給量大小、控制徑向切深深度值、控制軸向切深深度值等4個(gè)方面考慮。理論上,只有減小初始刀具位移值設(shè)定才能減小刀具相對(duì)讓刀位移值。要提高切削力,需從設(shè)備剛性、刀具規(guī)格型號(hào)、刀具走刀路徑、工件增加輔助支撐等因素考慮其影響[4]。

圖1 影響工藝系統(tǒng)剛度的要素分析

3 工藝系統(tǒng)剛度控制變形的理論分析

在機(jī)械加工過程中,整個(gè)工藝系統(tǒng)包含被加工工件、加工設(shè)備、加工刀具、所需的專用、通用夾具以及必要的輔助裝置[5]。因而,此過程中讓刀量ys是由整個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)的變形量迭加而成。即:

ys=ym+yf+yc+yw

(2)

式中,ys是工藝系統(tǒng)的總變形量;ym是加工設(shè)備的變形量;yf是夾具的變形量;yc是刀具的變形量;yw是加工工件的變形量。

若將Ks作為加工過程中的整個(gè)工藝系統(tǒng)的剛度,Km作為加工過程中使用設(shè)備的剛度,Kf作為加工過程中所需夾具的剛度,Kc作為加工過程中所需刀具的剛度,Kw作為加工過程中被加工工件的剛度,則:

(3)

將式(3)代入式(2)中,可得:

(4)

分析式(4)可知:

(1)提升整體工藝系統(tǒng)剛度Ks與提高切削力Fy無關(guān),只與加工所用的設(shè)備剛度、加工所需夾具剛度、加工所需刀具剛度及被加工工件的剛度4個(gè)子系統(tǒng)數(shù)值相關(guān)。

(2)當(dāng)4個(gè)子系統(tǒng)中任一剛度值增加時(shí),其倒數(shù)值變小。由于倒數(shù)值處于整個(gè)分?jǐn)?shù)的分母上,在分子值是1不變的情況下,分母上的和值相對(duì)變小,總數(shù)值將變大,整體工藝系統(tǒng)剛度提高。

(3)當(dāng)4個(gè)子系統(tǒng)中的剛度值全部增加時(shí),分母上的和值會(huì)變得更小。由于分子上是不變值1,工藝系統(tǒng)剛度提高最大。

4 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

加工鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)零部件時(shí),工藝系統(tǒng)中剛度值最低的是被加工工件的剛度,其次分別是加工使用的刀具剛度、夾具剛度和機(jī)床剛度。由于夾具剛度受待加工工件結(jié)構(gòu)影響大,本文就不進(jìn)行分析了。

根據(jù)已知的加工鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)零部件時(shí)工藝系統(tǒng)中各子系統(tǒng)對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)剛度的影響程度,依次從待加工的工件剛度、加工工件選用的刀具剛度、加工工件選用的設(shè)備剛度3個(gè)方面著手分析、優(yōu)化。

4.1 薄壁件剛度的優(yōu)化

薄壁件剛度優(yōu)化的目的是使工件被切削時(shí)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。如圖2所示,此薄壁類零件最大加工變形一般出現(xiàn)在最不穩(wěn)定的上端部位A處。若要控制變形,需盡量增大A處的剛度。本文重點(diǎn)研究如何提高類似薄壁件上端不穩(wěn)定部位切削點(diǎn)的剛度,以及提高剛度后是否減小了零件變形,是否提高了工藝尺寸的加工精度和裝配精度。

圖2 薄壁件剛度示意圖

薄壁結(jié)構(gòu)鈦合金零件尺寸要求如圖3所示,薄壁結(jié)構(gòu)處由毛坯狀態(tài)14mm加工至1.6mm。設(shè)備選用立式加工中心,刀具選用φ12mm的直柄4齒整體硬質(zhì)合金立銑刀,切削刃長26mm。加工時(shí)選用周向切削深度ap=5mm,直徑方向切削切深度ae=0.8mm,刀具每齒進(jìn)給量fz=0.06mm/z,切削速度v=40m/min,常溫冷卻。

圖3 鈦合金薄壁零件簡易圖

加工方式一:先加工A面至相應(yīng)尺寸后,加工另一平面直至壁厚為1.6mm。在加工另一平面的過程中,隨著工件壁厚的減小,工件剛度減小,刀具相對(duì)位移ys不斷增大。刀具相對(duì)位移ys最大值出現(xiàn)在壁厚從3mm加工至1.6mm的過程中,伴隨著出現(xiàn)相對(duì)位移值最大的情況,工件表面同時(shí)會(huì)出現(xiàn)振紋,導(dǎo)致工件表面粗糙度超出預(yù)期,影響最終裝配后質(zhì)量。最終加工的零件如圖4所示。

圖4 零件實(shí)測圖

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn),工件存在壁厚不均勻、上端厚下端薄的情況。檢測實(shí)物尺寸,工件上端厚度1.9mm,下端厚度1.6mm,上下端厚度差為0.3mm。測量的其表面粗糙度值為Ra0.82。

加工方式二:先加工A面至相應(yīng)尺寸;加工另一平面前,制作簡易工裝壓在已加工面上,利用工裝增加工件的剛度,如圖5所示。所選用的加工設(shè)備、切削參數(shù)等與加工方式一一致。加工完成之后,測量上下端的厚度,如圖6所示。上端厚度1.71mm,下端厚度1.6mm,上下端厚度差僅為0.11mm。測量的其表面粗糙度值為Ra0.69。

圖5 工件增加輔助支撐

圖6 增加輔助支撐后零件實(shí)測尺寸

這兩種加工方式對(duì)比如表1所示。比較兩種方式加工零件的實(shí)測尺寸及其加工方式,可以發(fā)現(xiàn),增加零件剛度的加工方式使零件最終尺寸得到明顯改善,大大降低了上下端的厚度差,其差值由0.3mm下降至0.11mm,且表面粗糙度有明顯提高,由Ra0.82提高到Ra0.69。

表1 結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明,工件的剛度與讓刀量成反比,通過增加輔助支撐提高薄壁零件的剛度,提高了整體工藝系統(tǒng)的剛度,減小了工件上端的讓刀量,這個(gè)控制零件變形的措施有效,鈦合金薄壁件的加工精度和表面粗糙度情況得到改善。

4.2 刀具剛度的優(yōu)化

加工鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)零部件的工藝系統(tǒng)中,對(duì)加工變形影響最大、最容易提高、剛度相對(duì)值最低的是工件剛度,其次是刀具剛度。對(duì)于控制工件變形,提高刀具剛度所起的作用比提高薄壁工件剛度所起的作用相對(duì)稍小。但分析式(4)可以得出,提高刀具的剛度也是增強(qiáng)整體工藝系統(tǒng)剛度的有效措施。下面工藝試驗(yàn)從單方面提高刀具剛度的角度出發(fā),在不改變其它生產(chǎn)狀態(tài)的情況下,研究其對(duì)控制鈦合金薄壁件變形的影響。

在4.1中加工方式一的基礎(chǔ)上,將刀具更換為直徑為φ20mm、齒數(shù)為4、切削刃長30mm的整體硬質(zhì)合金直柄銑刀。其他參數(shù)不變,即設(shè)備仍選用之前使用的立式加工中心,加工時(shí)選用周向切削深度ap=5mm,直徑方向切削切深度ae=0.8mm,刀具每齒進(jìn)給量fz=0.06mm/z,切削速度v=40m/min,常溫冷卻。

再次加工零件,圖7所示為加工完成后的工件。經(jīng)檢驗(yàn),工件上端厚度1.8mm,下端厚度1.6mm,上下端的厚度差為0.2mm。測量的其表面粗糙度為Ra0.77。這兩種加工方式對(duì)比如表2所示。

表2 結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明,刀具剛度與讓刀量成反比,單方面提高刀具的剛度能提高整體工藝系統(tǒng)剛度,明顯減小薄壁件上下兩端厚度差。此外,由于此結(jié)構(gòu)薄壁件的上端剛度相對(duì)下端太小,導(dǎo)致兩薄壁件均呈現(xiàn)倒梯形,越靠近上端剛度最小部位,工件厚度差越大,這主要是加工過程中讓刀量越來越大引起的。

4.3 設(shè)備剛度的優(yōu)化

設(shè)備剛度主要受設(shè)備部件的剛度、尺寸加工精度、裝配精度等的影響。通過分析式(4)可以得知,優(yōu)先選用剛度高的設(shè)備有助于提高整體工藝系統(tǒng)的剛度。下面從單方面提高設(shè)備剛度的角度出發(fā),研究設(shè)備剛度對(duì)控制鈦合金薄壁件變形的影響。

加工圖3所示的零件,薄壁結(jié)構(gòu)處由毛坯狀態(tài)14mm加工至1.6mm。采用圖5所示方式裝夾,增加工件剛度。采用4.1中方式一加工,刀具選用φ12mm的直柄4齒整體硬質(zhì)合金立銑刀,切削刃長26mm。加工時(shí)選用周向切削深度ap=5mm,直徑方向切削切深度ae=0.8mm,刀具每齒進(jìn)給量fz=0.06mm/z,切削速度v=40m/min,常溫冷卻。

設(shè)備分別選用合資生產(chǎn)的辛辛那提立式加工中心與國產(chǎn)的日發(fā)立式加工中心。零件加工完成后,實(shí)測尺寸對(duì)比值見表3。

表3 結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)備剛度與讓刀量成反比,單方面提高設(shè)備剛度能提高整體工藝系統(tǒng)剛度,減小薄壁件上下兩端的厚度差。

5 結(jié) 論

銑削TC4鈦合金薄壁件時(shí),本文從提高工件剛度、刀具剛度、設(shè)備剛度等3個(gè)方面對(duì)提高整體工藝系統(tǒng)剛度進(jìn)行了工藝試驗(yàn)驗(yàn)證和工藝優(yōu)化,具體結(jié)論如下:

(1)相同條件下,提高工件剛度有利于提高整體工藝系統(tǒng)的剛度,相對(duì)于直接加工方式,能明顯地提高零件的工藝尺寸精度和表面粗糙度,較好地控制、改善鈦合金薄壁件的變形情況,是一種有效的優(yōu)化途徑。

(2)相同條件下,提高刀具剛度有利于保證鈦合金薄壁件的加工精度及表面粗糙度,但比提高工件剛度的效果差。

(3)相同條件下,提高設(shè)備剛度有利于保證鈦合金薄壁件的加工精度及表面粗糙度。

(4)雖然未完全經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,但通過式(4)理論分析也可得知,當(dāng)能夠同時(shí)提高被加工工件的剛度、加工工件選用的刀具剛度、加工工件所使用的夾具剛度、加工工件選用的設(shè)備剛度時(shí),可達(dá)到提高整體工藝系統(tǒng)剛度最好效果,是控制工件加工變形的最優(yōu)工藝方案。