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從5mm到0.5mm,突破鈦合金翼面蒙皮加工

2025-02-18   來源:先進(jìn)制造業(yè)   評(píng)論:0
摘要:國(guó)宏工具助力南京航空航天大學(xué)工藝優(yōu)化 化解老大難問題

航空制造企業(yè)中流傳著這樣一句話:“要把一克重量送上天,需要花費(fèi)一克黃金。”這對(duì)占據(jù)了飛機(jī)80%面積、21%重量的蒙皮零件來說,可謂是“至理名言”。包裹在飛機(jī)外殼的蒙皮,為了滿足飛機(jī)減重、動(dòng)力提升等需求,零件厚度被“一降再降”,新一代戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)飛行器的金屬蒙皮厚度最薄處甚至僅0.5mm,如同雞蛋殼般。同時(shí),作為直接承受飛機(jī)載荷、對(duì)飛機(jī)疲勞壽命起決定性作用的零件,蒙皮不僅采用了高強(qiáng)度鈦合金等新材料,對(duì)加工精度和表面質(zhì)量都有著極高的要求,其加工技術(shù)一直被公認(rèn)為是行業(yè)難題。

南京航空航天大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱“南航”)作為全國(guó)知名高校,以及數(shù)次參與我國(guó)航空航天重要型號(hào)預(yù)研、技術(shù)攻關(guān)、試驗(yàn)任務(wù)的專業(yè)科研機(jī)構(gòu),一直致力于多類型航空航天“難加工”零件的工藝優(yōu)化。針對(duì)某軍工企業(yè)某型號(hào)翼面鈦合金蒙皮零件易切穿、成品率低的問題,南航特別成立了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì),就其零件結(jié)構(gòu)、材料特性、裝夾方式、加工工藝等進(jìn)行了系統(tǒng)性探究,并聯(lián)合國(guó)宏工具系統(tǒng)(無錫)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)宏工具”),共同研發(fā)了專用的直刃結(jié)構(gòu)整體硬質(zhì)合金銑刀,成功完成了厚度最小處僅0.5mm、最大處1mm,且?guī)в?.5mm厚度立筋結(jié)構(gòu)的鈦合金薄壁蒙皮試驗(yàn)件高效高精加工,為整體薄壁腹板類零件的加工提供了有益借鑒。

鈦合金+復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu),加工難度成倍上升

該款翼面蒙皮結(jié)構(gòu)復(fù)雜,如圖1所示,主體結(jié)構(gòu)為1mm厚的腹板,尺寸接近0.8X0.3m,跨度很大;腹板上還帶有多邊形型腔結(jié)構(gòu),型腔側(cè)壁的壁厚僅為0.5mm,高度為3.5mm,屬于典型的弱剛度結(jié)構(gòu)。蒙皮零件的毛坯為5mm厚鈦合金板材,材料去除率高達(dá) 92.6%。加之零件整體均由TA15鈦合金制成,其材料的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度以及焊接性能均高于TC4 鈦合金等其他材料,更使得零件的加工難度成倍上升。

圖1:蒙皮零件的主體結(jié)構(gòu)

南航項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在對(duì)原加工工藝分析后發(fā)現(xiàn),刀具的“不合適”是頻繁產(chǎn)生過切問題的關(guān)鍵。在刀具切入板材時(shí),加工區(qū)域的材料會(huì)發(fā)生塑性變形,同時(shí)受到刀具所產(chǎn)生的向上牽引作用發(fā)生一定程度的翹曲。隨著余量的不斷去除,板材剛度逐漸下降,切削力的作用便讓實(shí)際切深越來越大,從而導(dǎo)致腹板的過切,甚至切穿。

圖2:被切穿的腹板

明確方案優(yōu)化重點(diǎn)后,南航項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)便開始尋找合適的刀具廠商。國(guó)宏工具作為國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具的領(lǐng)先企業(yè),也是與南航保持著緊密聯(lián)系的校企合作伙伴,自然成為了團(tuán)隊(duì)的第一選擇。“國(guó)宏工具是國(guó)內(nèi)少數(shù)幾家擁有刀具全制程自主生產(chǎn)能力的企業(yè),在航空航天難加工材料領(lǐng)域有著深厚的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累,更為難得的,是他們擁有高水平的切削實(shí)驗(yàn)室,無論是‘硬件’還是‘軟實(shí)力’都十分契合南航對(duì)于技術(shù)合作伙伴的需求。”南航項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人介紹說。

大膽創(chuàng)新,研發(fā)鈦合金專用直刃銑刀

針對(duì)高硬度材料的側(cè)面加工、槽加工,目前行業(yè)多采用大螺旋角立銑刀,因?yàn)槁菪窃酱?,工件與刀刃的接觸線就越長(zhǎng),施加到單位長(zhǎng)度的刀刃上的負(fù)荷也就越小,從而有利于延長(zhǎng)刀具壽命,也能在一定程度上提升切削穩(wěn)定性。但國(guó)宏工具技術(shù)部門在深度探究后發(fā)現(xiàn),針對(duì)該款薄壁零件,原本為立銑刀帶來性能提升的“螺旋角”正是板材切穿的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;。

 “多次模擬加工后,我們發(fā)現(xiàn),帶螺旋角的銑刀由于刀齒沿著螺旋排列,且每個(gè)刀齒的切削位置不同,因此切削力被分散到整個(gè)刀具上,在加工中便會(huì)對(duì)腹板產(chǎn)生‘上拉—下壓’的上下往復(fù)作用,這時(shí)一旦板材局部厚度不均勻存在翹曲凸起,就會(huì)出現(xiàn)過切。”國(guó)宏工具技術(shù)總監(jiān)王必永先生介紹說,“我們大膽提出了研發(fā)螺旋角為0°的鈦合金專用直刃銑刀的想法,看是否能通過將切削力集中在與工件表面垂直方向的方式,避免過切。”

圖3:國(guó)宏工具直刃銑刀實(shí)物圖

隨后,國(guó)宏工具技術(shù)部門快速設(shè)計(jì)出了對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案:將兩款采用了相同硬質(zhì)合金基體材質(zhì)與國(guó)宏自主研發(fā)的AlCrN基涂層材質(zhì)的螺旋角銑刀和直刃銑刀,通過同款三軸加工中心對(duì)目標(biāo)零件的鈦合金毛坯板材進(jìn)行加工試驗(yàn)。同時(shí),利用壓電式儀削力測(cè)量系統(tǒng)同步測(cè)量作用于工件和刀具上的切削力。

測(cè)試結(jié)果顯示,不同于帶螺旋角的銑刀加工時(shí)會(huì)在軸向產(chǎn)生正負(fù)兩向交替往復(fù)的切削力,直刃銑刀產(chǎn)生的軸向力始終對(duì)腹板產(chǎn)生下壓作用,因此能夠避免腹板被刀具切穿的問題。此外,下壓的切削力有助于壓緊腹板零件,輔助實(shí)現(xiàn)真空吸盤的嚴(yán)密吸附,從而保證切削過程中切深的準(zhǔn)確性,提升腹板的加工精度。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),較之帶有螺旋角的銑刀,直刃銑刀在相同切削參數(shù)下的切削力更小,因而能夠降低切削過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,減少低厚度腹板結(jié)構(gòu)的加工變形,如圖4所示。

圖4:帶螺旋角的常規(guī)銑刀與直刃銑刀的切削力大小對(duì)比

南航項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在內(nèi)部測(cè)試后,對(duì)國(guó)宏工具所研發(fā)的直刃銑刀的性能表示了高度認(rèn)可。“采用直刃銑刀來加工鈦合金薄壁零件是一個(gè)顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的創(chuàng)新設(shè)想,國(guó)宏工具團(tuán)隊(duì)以高效的執(zhí)行力和強(qiáng)大的技術(shù)力將設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí),為我們攻堅(jiān)這一項(xiàng)目帶來了突破。”南航團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人說道,“此外,國(guó)宏工具自主研發(fā)的鈦合金專用涂層,也是這款刀具能夠充分發(fā)揮效用,達(dá)到理想加工效果的關(guān)鍵。”

加工難點(diǎn)“逐一擊破”,實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化

找到合適的刀具,僅是方案優(yōu)化的第一步,如何優(yōu)化設(shè)計(jì)加工工藝成為了擺在南航項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面前的又一難題。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),基于“短板優(yōu)先”的原則,團(tuán)隊(duì)先設(shè)計(jì)了總體加工工序——首先在板材上加工型腔(圖5 a)),從型腔中心位置螺旋下刀,切深達(dá)到槽腔深度后刀路逐步向外擴(kuò)展,完成最薄弱的型腔內(nèi)腹板的加工(圖5 b))。之后再進(jìn)行槽銑,去除各型腔間的材料(圖5 c))。最后對(duì)型腔立筋結(jié)構(gòu)的內(nèi)外圈進(jìn)行加工(圖5 d))。

圖5:蒙皮樣件的工序設(shè)計(jì)

而后,便是對(duì)單工序加工難點(diǎn)的“逐個(gè)擊破”了。在完成型腔內(nèi)部粗加工后,轉(zhuǎn)角部位還殘留有較多材料,且這些轉(zhuǎn)角大多十分狹窄,在其內(nèi)進(jìn)行粗精加工難度很大。初步的設(shè)計(jì)方案是采用小直徑直刃銑刀,以側(cè)銑方式進(jìn)行,但很快便出現(xiàn)了小直徑刀具難以承受逐漸增大的切削力而折斷的問題,而若通過減少切深與進(jìn)給速度來控制切削時(shí)刀具的載荷,又會(huì)極大影響加工效率。因此,國(guó)宏工具技術(shù)團(tuán)隊(duì)便提出了采用插銑方式的可能性,并且直刃銑刀也非常適用于插銑工藝。在得到南航項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)認(rèn)可后,經(jīng)過多次加工實(shí)驗(yàn)的國(guó)宏工具技術(shù)團(tuán)隊(duì)確定了具體的工藝參數(shù)(如表1所示)。

表1:型腔轉(zhuǎn)角殘插銑加工切削參數(shù)

刀具

切削速度vc (mm/min)

每齒進(jìn)給fz (mm/z)

步距P (mm)

切深ap (mm)

D8R1直刃銑刀

80

0.1

1.5

3.5

對(duì)型腔內(nèi)外側(cè)壁進(jìn)行精加工是最后一道工序,在零件剛性最弱時(shí),將側(cè)壁內(nèi)外兩側(cè)余量一次性高效去除,并確保尺寸精度到位的嚴(yán)苛要求,也使其成為了難度最大的一道工序。如何實(shí)現(xiàn)?確定切削速度與每齒進(jìn)給量是關(guān)鍵。“國(guó)宏工具在前期對(duì)直刃銑刀切削力的測(cè)試數(shù)據(jù),為我們這一步序的工藝設(shè)計(jì)提供了很大幫助。”南航團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人介紹說。

國(guó)宏工具實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),切削速度對(duì)直刃銑刀的切削力影響不大,相反,每齒進(jìn)給量與切寬則對(duì)直刃銑刀的切削力產(chǎn)生了顯著影響,并且,切寬變化帶來的影響更大?;诖藬?shù)據(jù),南航項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出,在對(duì)型腔內(nèi)外側(cè)壁進(jìn)行側(cè)銑加工時(shí),可以采用高速切削,配合較小的每齒進(jìn)給量與切寬,從而在減少切削力的同時(shí)獲得較高的材料去除率。

表 2:內(nèi)/外側(cè)壁精加工工藝參數(shù)

刀具

切削速度vc (mm/min)

每齒進(jìn)給fz (mm/z)

切寬ae(mm)

切深ap (mm)

D8R1直刃整硬刀

100

0.02

1.5

3.5

“經(jīng)過我們團(tuán)隊(duì)成員和各方合作伙伴,尤其是國(guó)宏工具技術(shù)部門的共同努力,蒙皮樣件最終成功通過了驗(yàn)收,不僅將精度、表面質(zhì)量誤差控制在±0.05mm以內(nèi),還大幅提升了加工效率,加工耗時(shí)較原有工藝減少了約53%,且加工過程穩(wěn)定。”南航團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人總結(jié)道,“我們相信,南航與國(guó)宏工具正式成立的‘高性能刀具系統(tǒng)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室’,接下來將會(huì)帶動(dòng)更多的研究項(xiàng)目落地。”

圖6:完成加工的蒙皮樣件




(責(zé)編:文芳)

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