轴向力在一定范围内变化
栏目:行业新闻 发布时间:2019-05-29 17:52

  日期: 2017-08-22大中小来源:切削技术网站

  本文基于螺旋铣孔技术,采用正交试验和极差值分析方法,在钛合金上进行了19.05mm直径孔的螺旋铣削试验。分析了不同切削参数对轴向切削力、钛合金孔径、粗糙度等的影响,以此为指标优化出最佳工艺参数。在此基础上研究了最佳参数下切削力、加工质量和刀具磨损随加工孔数的变化,发现在大直径孔加工中,螺旋铣孔技术可有效改善加工质量、提高加工效率。

  随着航空航天业的发展,对制孔精度和表面质量的要求越来越高,钛合金的应用也越来越广泛,目前钛合金不仅是航空航天业必不可少的金属材料,还在医疗器械和工具、冶金、造船业等行业有着广泛的应用。但钛合金强度高,硬度大,热导率低,切削热不易散出,造成刀具磨损严重,严重影响刀具使用寿命,加工表面质量较差且效率低下。螺旋铣孔时的刀具运动由刀具的自转、公转、轴向进给三方面构成,刀具中心呈螺旋线轨迹,是一个以铣带钻的过程,有利于切屑排出和散热(见图1)。该技术可大幅减少轴向力,改善制孔质量,提高制孔效率,还可通过调节偏心量方便地实现“一刀多径”,得到航空制造业的青睐。

  刘刚研究了基于分屑原理的螺旋铣孔专用刀具,并对专用刀具的分屑效果、端部和侧刃切削刃的不同切削作用及刀具使用寿命进行了分析。王海艳、魏敏等对不同角度参数的刀具进行有限元二维仿真,确定合适的刀具角度范围,设计了螺旋铣孔专用刀具,并对螺旋铣孔进行了动力学研究。E.A.Rahim研究了刀具刃型对铣刀性能的影响。Jamal Ahnmad指出螺旋铣孔刀具后角对切削力影响较大。Chatelian等研究的齿槽型螺旋铣刀具有良好的切削性能。单以才研究了CFRP/Ti6Al4V工艺,提出了大螺距铣孔对于加工叠层构件的工艺优势。李登万通过均匀设计方法优化钛合金加工参数,提高了切削效率和表面质量。陈尔涛基于切削速度、切削深度和每齿进给量等切削参数,建立了加工参数优化模型。王丰超通过试验研究了不同切削参数对出口毛刺高度、孔径偏差和粗糙度的影响。

  飞机装配中直径1/2以下的孔数量最多,因此螺旋铣孔技术的研究多集中于此。但在关键承力部位还有一定数量的大直径孔,加工十分困难。目前,大直径孔加工通常采用钻、扩、铰等多个工序,工艺复杂,需数十把刀具,加工成本昂贵,加工效率极低,一直是飞机装配中难点之一。

  以12mm直径螺旋铣刀为例,采用正交试验和极值分析等方法进行钛合金19.05mm(3/4)大直径的螺旋铣孔工艺研究,分析了不同参数对加工质量的影响,优化了最佳加工参数。研究有利于推动螺旋铣孔在大直径孔加工中的应用,同时对提高飞机装配效率、降低加工成本也具有重要意义。

  试验所用刀具为无螺旋铣孔刀具,直径12mm,加工孔径19.05mm,螺旋角35,前角8,后角15,刀具刃数4,采用干切削方式。试验工件材料为钛合金板,厚度5mm,大小为120×250mm,钛合金的物理性能和力学性能见表1。

  加工中心为DMC75Vlinear五轴数控机床,采用三向Kistler 9257A测力仪检测切削力,检测到的信号经Kistler 5007A电荷放大器传输、数据采集卡进行采集,由Dynoware测力仪软件进行实时显示;采用Wenzel LH65三坐标测量仪进行孔径检测,每个孔进行四点采样获取孔径数据;粗糙度测量采用三丰粗糙度检测仪,并用超景深显微镜观察刀具磨损情况。

  采用12mm大直径刀具加工3/4(19.05mm)孔。三因素三水平正交试验的具体试验参数见表2。其中,螺距表示每公转一周刀具向下进给的距离,切向每齿进给表示每个切削刃切向切削的厚度。每组试验加工两个孔,所测参数取平均值。

  图2是第五组切削参数条件下测得的三向切削力随时间变化的曲线,定义z轴为轴向切削力方向。从图中可以看出,x向力和y向力的变化波动情况基本趋势一致,轴向力在一定范围内变化,选取稳定切削阶段作为有效切削力,各个参数下测得的切削力见表3。

  图3是以轴向切削力为目标的极差分析结果。从图中可以看出,螺距是影响刀具轴向切削力的主要因素,其次为切向每齿进给量,对轴向切削力影响最小的是主轴转速。

  孔径精度是制孔质量的重要指标之一,对飞机装配质量和构件的服役寿命有重要影响,采用三坐标测量仪试验研究了不同参数下的孔径加工精度(见表4)。

  从孔径的测量结果可以得出,钛合金孔加工公差等级均在IT5-IT7间,第五组加工参数的孔径等级为IT5,孔径误差最小。采用极差分析法分析加工参数对孔径的影响规律,得出的极差值见图4。主轴转速和切向每齿进给是影响孔径的主要因素,螺距对孔径的影响较小。

  粗糙度是评价Ti-6Al-4V表面加工质量的重要因素,飞机装配中对其有严格要求,不同参数下得到的孔壁粗糙度见表5。

  在螺旋铣孔过程中,孔径粗糙度值在0.18-0.42m时,孔壁光洁度极好。采用极差法分析加工参数对粗糙度的影响,得到的极差值见图5。可以看出,对孔壁粗糙度影响最大的因素是切向每齿进给,其次是主轴转速,影响最小的是螺距。

  综上所述,以降低轴向切削力、减小孔径误差、提高孔壁质量为主要目标进行参数优化。第五组加工参数的轴向切削力和孔径误差最小,第七组参数的孔壁粗糙度最小。考虑到粗糙度值远小于飞机制造标准,且第五组粗糙度值与第七组仅相差0.055m,故选择第五组参数为大直径螺旋铣孔最优加工参数工艺。

  基于以上分析,研究了切削力、加工质量和刀具磨损在最佳加工参数下随加工孔数的变化规律。

  最优切削参数下轴向切削力随加工孔数的变化见图6。因刀具磨合阶段切削过程不稳定,导致第二个孔和第三个孔的切削力突然变大;随后,刀具进入正常磨损阶段,切削力逐渐上升,但幅度很小,加工30个孔后轴向切削力依旧在100N左右。

  最优参数下粗糙度随加工孔数的变化见图7。可以看出,前20个孔的粗糙度基本在0.2-0.3m之间波动,但第20个孔的粗糙度明显升高,随后又在0.4m左右波动。总体来说,大直径螺旋铣孔的孔壁粗糙度随加工孔数的增加而升高,但变化范围较小(0.2-0.4m之间),完全符合航空制造业对孔壁粗糙度的要求。

  最优切削参数下孔径随加工孔数的变化见图8。从图中可以看出,加工前期的直径较稳定,在19.07mm左右波动;第13个孔后孔径出现较大波动,这主要是由钛合金粘结以及刀具磨损所致。考虑到螺旋铣孔可通过调节偏心量实现孔径误差的补偿,因而以其最大变化量评价该工艺的孔径精度更有效。与标准孔径19.05mm相比,加工孔径的最大误差为0.03mm,误差值小,加工效果良好。

  图9为加工30个孔后的刀具磨损形貌,刀具侧刃的磨损极小,几乎观测不到,且刃形也基本完整,并未发生崩刃(见图9a);图9b为刀尖磨损形貌,刀尖后刀面出现明显的钛合金粘结,说明此处发生了粘结磨损;图9c和图9d为刀具底刃的后刀面磨损形貌,可以看出发生了微崩刃,从磨损量上来看底刃的磨损比侧刃严重。因此,磨损最严重的为底刃,且外侧刀尖处最严重,这是因为螺旋铣孔过程中底刃为连续切削,且每齿轴向进给极小(0.28m/齿),后刀面与工件间摩擦较严重,故切削温度高,粘结磨损、氧化磨损加剧;越靠近刀尖,切削速度越高,导致磨损严重。

  无论侧刃还是底刃,铣削30个孔后,磨损量远未达到0.3mm的磨钝标准,说明在此加工参数下,刀具可加工孔数远大于30个。

  钛合金大直径孔的加工一直是飞机制造业加工的难点,传统工艺需采用钻扩铰等多种工艺、多道工序以及数十把刀具,费时费力。基于低损伤、高效率的螺旋铣孔技术,通过正交试验法进行了3/4大直径孔的加工工艺优化研究,得到以下结论:

  基于正交试验和极值分析方法,分析了不同加工参数对钛合金大直径(3/4)螺旋铣孔时切削力、孔径精度和孔壁粗糙度等的影响,发现对轴向力影响最大的是螺距,而主轴转速和切向进给是影响孔径精度的主要因素,切向进给是影响孔壁粗糙度的主要因素。

  综合考虑切削力及加工质量,优化得出大直径螺旋铣孔的最佳切削参数为:主轴转速n=1800r/min,螺距ap=0.25mm,径向进给f=0.025mm/齿,此时加工效率为147.7s/孔。

  采用优化后的加工参数进行螺旋铣孔试验,随着加工孔数增加,切削力呈小幅升高,加工30个孔后,加工质量远优于航空制造标准,且刀具磨损轻微,能满足钛合金大直径螺旋铣孔的加工要求。