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[ 信息發布:本站 | 發布時間:2017-10-26 | 瀏覽:276次 ]

目前航天產品加工精度要求不斷提高,航天領域中整體結構件不斷增加,高精度、薄壁腔體類零件在航天產品行業的應用越來越廣泛。特別是伺服系統中零部件的加工精度控制的好壞,直接關系到武器系統中的多項性能指標要求,該類零件一般由鈦合金坯料整體加工而成,材料去除率最高達85%以上。同時,該類零件的一個顯著生產特點是品種多、批量小,甚至是單件生產,這種結構特點和生產模式決定了其制造技術一直處于不穩定狀態,加工制造一直存在加工周期長、加工成本高和加工精度不易控制等難點。

隨著武器系統的更新換代以及性能的不斷提升,當前彈上伺服系統產品零件更趨向于小體積、高精度發展,對加工工藝技術提出更高要求。同時為了追求小體積、高精度的結構,有時也無法兼顧產品的加工工藝性。因此,在伺服產品中出現了一種高精度(尺寸精度要求在0.01 mm以上)的內腔圓柱面結構零件,該結構機械加工工藝性差,運用傳統的鑄造、機械加工方法難以滿足零件精度要求。

1. 零件工藝性分析以及工藝方案的制定

( 1 ) 零件結構及工藝性分析。

某球環框架(見圖1)材料為鈦合金TC4-M,屬于單件小批量生產,零件為精密機械加工件,零件外形尺寸Sφ 108 mm,壁厚4 mm,屬于薄壁難加工材料類零件,各形位精度和尺寸精度要求高。由于是整料切削成形,在加工過程中易變形,材料切削性能較差,同時零件結構的工藝性也較差,這為加工帶來了極大難度。因此,選用合理的加工方式及正確的刀具成為加工質量保證的關鍵所在。

(2)加工工藝方案的制定。

通過對球環框架零件結構進行分析,制定如下工藝流程:坯料→粗加工(采用線切去除余量后再進行機械加工)→熱處理時效→精加工→交驗,加工難點為內腔圓柱面φ 22-0.002-0.010 mm的加工以及形位公差的保證,其結構以及材料加工工藝性差,標準的刀具無法對其進行機械加工。

通過對球環框架零件結構的分析,針對球環框架φ 22-0.002-0.010 mm圓柱面和φ 20+0.008+0.002 mm孔采用如下加工方案:粗加工時通過正反兩面兩次裝夾采用三維切削加工出內腔圓柱面,單邊留1 mm余量,精加工時在五軸加工中心采用專用鏜刀加工φ 22-0.002-0.010 mm內腔圓柱面,專用鏜刀能進行高精度微調,從而保證了φ 22-0.002-0.010 mm圓柱面的尺寸精度,同時采用五軸加工中心一次裝夾完成φ 22-0.002-0.010 mm圓柱面和φ 20+0.008+0.002 mm孔的加工,保證了零件同軸度、垂直度公差要求。

2. 專用鏜刀的設計

(1)零件材料特性分析。

球環框架零件材料為鈦合金TC4-M,其具體特性如下:①鈦合金的導熱性差,是不良導熱體金屬材料,切削加工時,切屑與前刀面的接觸面積很小,特別容易引起薄壁件的熱變形。②鈦合金彈性模量低,彈性變形大,鈦合金彈性模量為1 078 MPa(約是鋼的1/2),切削時接近后刀面處工件的回彈量大,導致已加工表面與后刀面的接觸面積特別大。造成加工件幾何形狀和精度差,表面粗糙度值增大,刀具磨損增加。③鈦合金的親和性大、切削溫度高。切削時,鈦屑及被切表層與刀具材料咬合,產生嚴重的粘刀現象,容易引起刀具強烈的粘結磨損。鈦合金的高溫化學活性強,在600 ℃以上時,與氧、氮產生間隙固溶,吸收氣體后鈦合金表面的硬度明顯上升,對刀具有強烈的磨損作用。因此,要求加工鈦合金的刀具具有高強度、高韌性的同時,還要有高的紅硬性。

(2)專用鏜刀的設計原理。

通過對零件材料性能的分析,結合零件結構特點, 設計了專用于φ 22-0.002-0.010 mm圓柱面加工的鏜刀,鏜刀結構如圖2所示,它包括標準可調鏜頭1、刀桿2、緊固螺釘4、刀片3,刀片安裝在刀桿一端的方孔內,緊固螺釘將刀片緊固在刀桿上,將標準可調鏜頭與機床主軸連接。被加工零件緊固在數控加工中心輔具上,使加工部位與主軸垂直,通過以上所述鏜刀對零件內腔圓柱面進行鏜削加工,加工過程中可以根據實際測量尺寸,通過調節標準可調鏜頭對刀片進行微調,從而保證零件加工精度。標準可調鏜頭調節范圍在0.06 mm以內,直徑微調精度在0.002 mm以上,其加工時的狀態如圖3所示。

(3)鏜刀刀桿的設計原理。

根據球環框架零件材料特性,刀桿應具有較高的強度以及良好的韌性,因此,刀桿材料選用合金工具鋼CrWMn調質料(32~35 HRC),受球環框架零件內孔尺寸限制,刀桿直徑應小于19 mm,同時結合標準可調鏜頭接口進行配作,配合間隙控制在0.01 mm以內。

(4)鏜刀刀片的設計原理。

針對鈦合金材料的加工,刀片材料選用YL10.2細晶粒硬質合金報廢刀具作為原材料,采用線切割加工成形后,在工具磨床上加工出前后角。此類材料導熱性好,有利于熱量的散發和降低切削溫度,同時具有良好的韌性和高的紅硬性。

切削鈦合金時,刀具后角α 0是所有刀具參數中最敏感的,因為切削層下的金屬彈性恢復大和加工硬度大,一般采用大后角可使刃口易于切入金屬層,減小后刀面的磨損,但后角過小(小于15°)會出現金屬的粘附現象;而后角過大,刀具將被削弱,刀刃容易崩碎。因此,大多數切削鈦合金的刀具采用15°后角。從刀具耐用度來看,α 0小于或大于15°,都會降低車刀的耐用度。此外,α 0為15°的刀具刀刃比較鋒利,并可降低切削溫度。

由于鈦合金在切削過程中,會與空氣中的氧、氫、氮等形成硬脆化合物,造成刀具磨損(主要發生在刀具前刀面上),因此應采用小值前角;此外,鈦合金的塑性低,切屑與前刀面的接觸面積小,為此也應選用小值前角,這樣做可增加切屑與前刀面的接觸面積,使切削熱和切削壓力不至于過分集中于刃口附近,既有利于散熱,又加強刃口,避免因切削力集中而產生崩刃。因此,用硬質合金刀具加工鈦合金時,取前角γ 0=5°左右并磨出倒棱f(寬度為0.05~0.1 mm),γ f=0°~10°,刀尖磨成r=0.5 mm小值圓弧,刃傾角λ =+3°。

3. 結語

鈦合金零件加工在機械制造業中占有很重要地位,鈦合金材料的切削加工一直是當前加工工藝技術的難點。為了滿足航空航天對于鈦合金工件日益增長的需求,我國的鈦合金切削加工必須有長足的進步。在基于國內的材料、機床和管理等條件基礎上,進一步加強鈦合金材料加工工藝路線的優化、加工參數的優選,提高加工效率和產品質量,是推動國內鈦合金產業和航空航天工業發展的重要因素。文中設計的內腔圓柱面精加工鏜刀,結構簡單,制造使用都很方便,解決了球環框架零件加工工藝難題。

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