株洲钻石:钛合金航空结构件的高效数控加工

关键词 钛合金 , 加工|2020-03-09 16:42:34
摘要 钛合金以其强度高、机械性能好和耐腐蚀性能强等特点在航空制造业中的应用越来越广泛,随着钛合金在飞机上所占比重的不断增加,钛合金航空结构件的数控加工效率对航空制造企业的影响也越来越大。...

钛合金以其强度高、机械性能好和耐腐蚀性能强等特点在航空制造业中的应用越来越广泛, 随着钛合金在飞机上所占比重的不断增加,钛合金航空结构件的数控加工效率对航空制造企业的影响也越来越大。钛合金属于难加工材料,其相对切削性为0.15~0.25,加工效率仅为铝合金的10%,因此钛合金航空结构件的低加工效率严重制约了现代飞机的批量生产。实现钛合金航空结构件的高效加工是航空制造企业、数控设备制造商和刀具制造商共同关注的话题。

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钛合金切削加工性能

钛合金具有机械性能好、抗腐蚀性能强和比重小等特点。但是在加工中,钛合金的切削加工性能很差,主要表现在以下几个方面:

①切削力大。钛合金材料强度高,在切削时产生的切削阻力大,导致切削刃口产生大量的切削热;

②导热率低。钛合金热扩散率低,大量的切削热集中在切削区域;

③刀尖应力大。钛合金的塑性低,加工产生的切屑极易弯曲,导致切屑与前刀面的接触长度短,因此切削刃上单位面积存力增大,造成刀尖部位应力集中;

④摩擦力大。钛合金的弹性模量小,造成前、后刀面的摩擦加剧;

⑤化学活性高。钛元素在高的切削温度下,很容易与空气中的氢、氧、氮等气体发生化学反应,形成表面硬层,加速刀具磨损。

钛合金高效加工设备

为了满足钛合金结构件的高效加工,新型的钛合金加工设备呈现出如下发展趋势:

①大扭矩。钛合金强度高,加工中切削力非常大,钛合金加工机床的一个明显特点就是主轴扭矩和摆角扭矩大。

②电主轴的应用。大功率、大扭矩的电主轴已应用于钛合金加工。

③卧式加工中心应用于钛合金加工。卧式加工中心排屑方便,有利于提高加工效率和加工质量,可交换工作台易于实现多工位加工并组建柔性生产线,提高设备利用率。

④ 高压内冷。钛合金加工中切削热集中在刀尖,易造成刀具磨损或损坏,高压内冷可准确喷到切削区域带走切削热。

钛合金高效加工刀具

钛合金的切削加工性较差,传统加工方式切削速度一般不超过60m/min。钛合金的粗加工主要是以大切深、低转速、低进给的方式来获得最大的金属去除率;精加工采用PVD涂层硬质合金刀具进行小切宽、大切深的高速铣削获得高效切削。因此钛合金加工刀具主要围绕如何在强力切削时避免振颤、减小切削力和降低切削温度等方面进行改进:

(1)钛合金面铣加工

对钛合金零件进行面铣加工时,采用小切深、大进给的铣削方式获得高效加工。大进给铣削的原理是通过减小刀具主偏角,使刀具在很高的进给下仍然能保持很小的切屑厚度,以减小高进给时的切削力,实现在低切削速度下获得很大的进给量,增加单位切深下的金属切除率。同时切削力部分垂直向上,切向力较小,消耗的功率也较小,该加工方法对机床的功率和刚性要求不高,应用非常广泛。

(2)钛合金槽腔加工

槽腔是钛合金航空结构件的一个主要特征,材料去除率高,工作量大,因此槽腔加工是实现钛合金零件高效加工的关键。大切深、低转速、低进给的强力切削以获得最大金属去除率是钛合金粗加工的有效方法。目前粗加工钛合金的强力铣削刀具以玉米铣刀的效率最高而得到广泛采用。

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槽腔粗加工示意图

(3)圆角加工技术为减轻飞机重量,飞机结构件的槽腔转角处圆角通常较小,需要用直径较小的铣刀进行加工。由于在圆角处切削量突变,导致切削力变化非常大。在切削力突变的情况下,刀具轻易产生振动,甚至出现崩刃现象,导致刀具磨损严重,加工效率低下。插铣是解决转角加工效率的最佳途径。插铣加工比常规铣削振动小,走刀方式去除转角余量的效率高。通过不同直径的插铣刀具对转角处进行插铣,可切除大部分转角余量,再用立铣刀对插铣产生的残留进行清除,可以大幅度提高加工效率。(4)精密侧铣技术在精加工侧壁时,利用铣削的断续性来达到高速切削的目的,以提高零件表面质量及加工效率。精加工侧面时,由于切宽小,刀齿每转过一周的切削时间很短,即冷却时间很长。在冷却充分的情况下,其切削温度能得到有效地控制,因而可以大幅提高切削速度来提高加工效率。用PVD涂层的整体硬质合金铣刀或超密齿硬质合金铣刀进行钛合金的高速切削精加工,可以大幅提高加工效率和加工精度。

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精铣周边示意图                       切削与冷却时间

(5)仿真优化技术

钛合金结构零件在粗加工时切削余量会不断变化。目前的CAM软件所编制的NC程序往往只能设置固定的切削参数,为了避免局部程序由于切削量过大造成对刀具、机床的冲击,通常方法是通过降低整体切削参数来保证刀具寿命和零件质量,从而加工效率极为低下。Vericut仿真优化技术则可很好地解决该问题。通过Vericut软件设置切削参数优化库,并用软件进行仿真,通过仿真对实际加工余量和切削条件进行猜测,根据加工余量和切削条件对程序中的切削参数进行优化。既延长了刀具寿命,保证了零件质量,也提高了加工效率。


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