• 全国 [切换]
  • 二维码
    标准件之家网

    扫一扫关注

    当前位置: 首页 » 标准件知识 » 设备知识 » 正文

    钛合金航空结构件的高效数控加工

    放大字体  缩小字体 发布日期:2022-09-04 13:11:24    来源:本站    作者:标准件之家    浏览次数:854
    导读

      随着人们对现代飞机性能要求的提高,钛合金以其比强度高、机械性能好和耐腐蚀性能强等特点在现代飞机上的应用也越来越广泛,尤其是在高性能战斗机中,铝合金所占的比例已高达到40%。图1所示是美军从20世纪70年代设计的眼镜蛇战机到现在的猛禽战机

    随着人们对现代飞机性能要求的提高,钛合金因其比强度高、力学性能好、耐腐蚀性强等优点,在现代飞机上得到广泛应用。特别是在高性能战斗机中,铝合金的比例已经达到40%。图1是美军70年代设计的眼镜蛇战斗机到现在的猛禽战斗机主要材料配比的变化。随着钛合金在飞机中的比重越来越大,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越来越大。钛合金是一种难加工材料,相对可加工性为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。如何实现钛合金航空结构件的高效加工,已成为航空制造企业、数控设备制造商和刀具制造商共同关注的话题。钛合金航空结构件的工艺特点1。钛合金的加工性能钛是世界上最丰富的金属之一,在金属中排名第三。与其他金属相比,它具有机械性能好、耐腐蚀性强、比重小的特点。但在实际加工中,钛合金的切削加工性很差,主要表现在以下几个方面:(1)切削力大。钛合金强度高,切削时产生的切削力是中碳钢的两倍。大的切削力导致切削刃处的大量切削热。(2)导热系数低。钛合金的热扩散率仅为铁的1/4,铝的1/16,大量切削热集中在切削区域,导致切削温度高达700。(3)叶尖应力大。钛合金塑性低,加工产生的切屑容易弯曲,导致切屑与前刀面接触长度短,仅为45#钢的1/2 ~ 2/3。因此,切削刃上单位面积的压力增加,导致刀尖处的应力集中。(4)摩擦力大。一方面,钛合金材料与工具材料之间的摩擦系数比较大;另一方面,钛合金弹性模量小、屈强比高,加剧了前后前刀面之间的摩擦;(5)化学活性高。切削温度高时,钛容易与空气中的氢、氧、氮等气体发生反应,在表面形成一层硬质层,加速刀具磨损。同时,钛容易与刀具材料发生化学反应,导致刀具材料扩散,刀具磨损严重。2钛合金航空结构件的工艺特点钛合金主要用于高温区域的关键零件,如隔热挡风罩、尾翼罩、后机身框段等。随着现代飞机满足隐身、长寿命和结构轻量化的性能要求,钛合金航空结构件在飞机设计中得到广泛应用。航空结构件是飞机的主要承载件,零件形状涉及机身形状、机翼形状、翼身融合区形状等复杂的理论形状,且与多个零件嵌套,结构复杂,加工难度大。材料去除率在50%以上,部分甚至达到90%。薄壁深槽腔的特点占80%,是典型的弱刚性结构,加工状态极不稳定。零件装配配合面和相交孔数量多,制造精度要求高(见图2)。因此,钛合金航空结构件的切削性能很差,加工效率极低。3钛合金航空结构的加工现状目前,在钛合金航空结构的数控加工方面,传统的加工方式是低速大扭矩机床、高速钢和硬质合金刀具、低速大切削深度。金属去除率一般为30 ~ 60 cm3/min,最高不超过200 cm3/min;对于铝合金的加工,目前普遍采用高速加工方案,金属去除率一般可达500 ~ 2000 cm3/min,最高可达6000 cm3/min。因此,与机智相比

    由于铝合金一直是航空结构件的主要材料,铝合金的加工效率一直受到航空制造业的重视。特别是铝合金高速加工机床广泛应用后,铝合金的加工效率大大提高,到2005年铝合金加工的金属去除率达到1970年的9.5倍。而钛合金的加工技术几乎是同时的。到2005年,钛合金加工的金属去除率仅为1970年的1.5倍。因此,在钛合金广泛应用的今天,钛合金航空结构件的高效加工必将成为新技术发展的重点。钛合金高效加工设备由于对钛合金航空结构高效数控加工的迫切需求,许多航空数控机床制造企业将产品研发的重点从铝合金加工转向了钛合金的高效加工,其中德国DST公司是最典型的一家。2005年,DST公司开始了高效钛合金加工设备的研究,开发出ECOFORCE系列钛合金卧式加工中心.预计2010年投放市场,该加工中心的金属去除率将达到600cm3/min,比现有加工中心提高3 ~ 6倍。同时,FOREST-LINE、INGERSOLL、MCM等公司也针对钛合金的高效加工开发了相应的新产品。为了满足钛合金结构件的高效加工,新型钛合金加工设备呈现以下发展趋势:(1)高扭矩。由于钛合金强度高,加工时切削力很大。钛合金机床的一个显著特点是主轴扭矩和摆角扭矩大。在DST的ECOFORCE机床上,主轴扭矩达到1100nm,a和c的角度扭矩为8000nm.(2)电主轴的应用。大功率大扭矩电主轴已应用于钛合金加工。英格索尔公司推出的POWERMILL卧式加工中心,配有功率为106kW的电主轴,主轴扭矩为928nm,用于钛合金加工。

    如图4所示。

      (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。因此卧式加工是钛合金结构件高效加工的重要方式。目前最为新型的钛合金高效加工机床均采用了卧式加工的结构形式。目前卧式加工中心的工作台面宽度最大为2000mm,因此该类设备不适用于超大型的钛合金结构件加工。

      (4) 高压内冷。钛合金加工中切削热集中在刀尖,容易造成刀具磨损或损坏,高压内冷可以将冷却液尽可能地到达切削区域带走切削热,同时高压还带有碎屑和切屑排放的功能。主轴中心冷却是较老的一种技术,但是在高效钛合金加工设备上的主轴内冷对压力有更高的要求,普遍达到6MPa以上的高压,有的设备甚至达到了12MPa的压力。

      钛合金高效加工刀具

      刀具技术是数控加工的关键技术之一,也是限制难加工材料加工效率的一个技术瓶颈。随着刀具技术的进步,刀具材料和刀具结构不断改进,刀具种类越来越多,如何合理选择刀具及切削参数成为提高数控加工效率的核心所在。  由于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。为提高钛合金的粗加工效率,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(切削速度超过170m/min)获得高的切削效率。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。具体改进措施如下:  (1)强力铣削刀具广泛应用。强力铣削刀具的刀体刚性好,刀片与刀体的牢固连接,刀具直径大,有效避免了切削中可能产生的振颤,主要刀具类型为用于开槽、侧铣的玉米铣刀。  (2)高压内冷刀具的大量出现。刀具内部冷却液通过高压喷射到切削区域,直接对切削点的刀尖进行冷却,减小切削刃的温度和刀具磨损,同时高压液体打碎了切屑并及时将切屑排走。采用该类刀具可以获得更高的切削速度,提高加工效率;提高刀具寿命,降低刀具成本和加工暂停时间;良好的断屑和排屑效果改善了零件加工质量。  (3)超密齿刀具,如图5所示。整体硬质合金刀具上开有10个以上切削刃的刀具是钛合金高效加工的新技术。该类刀具通过增加刀齿数量降低加工时的每齿切削量从而达到减小刀刃切削力的目的,其原理与高速加工的原理类似。

    nextpage

      钛合金航空结构件高效加工技术

      1 钛合金铣面加工  对钛合金零件进行铣面加工时,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。在同样的切屑厚度下,大进给铣刀的进给量接近普通圆柱立铣刀的6倍,大大提高了金属切除率。同时由于该类刀具切削时其切削力部分垂直向上,切向力较小,消耗的功率也较小,因此该加工方法对机床的功率和刚性要求不高,应用非常广泛。  粗加工过程中,尽量保证刀刃持续稳定切削,刀具轨迹应当尽量消除尖角,在转弯处应当适当加圆角,使得加工过程更为平稳,一般圆角半径不小于刀具直径的15%。

      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(见图6)。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。例如山特维克玉米铣刀切槽试验时,最大切深可达109mm,最大切宽可达66mm,其金属去除率高达409cm3/min。

      对于槽腔粗加工的加工工艺方法,一般先采取U钻预钻孔,然后再用玉米铣刀去除余量,可以获得很高的金属去除率。

      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,刀具容易产生振动,甚至出现崩刃现象,导致刀具磨损严重,加工效率低下。  传统的圆角加工策略是通过细化轨迹的方法来避免圆角处加工振动的问题,其缺点是轨迹过多,效率比较低下,圆角的加工占掉30%甚至更多的精加工时间。插铣是解决转角加工效率问题的最佳途径。插铣是一种沿刀具轴向进行的类似于钻孔的一种轴向铣削方法,由于插铣的走刀方向沿着刀轴方向,所以其切削力大部分将沿着刀轴方向,径向切削力很小,因而在插铣时比常规铣削振动小,而且其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  在传统切削方法中,切削速度基本在40~60m/min,钛合金的高速铣削将其切削速度定义在120m/min以上。在精加工侧壁的时候,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。精加工侧面的时候,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,如图7、图8所示。

     

      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。

      5 仿真优化技术  钛合金飞机结构零件加工特征复杂,在粗加工时切削余量会不断变化,如转角部位的余量突变等。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。基于Vericut的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预测,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。

      结束语

      钛合金航空结构件的高效数控加工是目前航空制造业面临的难题之一。数控设备、加工刀具和工艺方案3个方面目前的技术远远不能满足钛合金航空结构件的加工需求,这必将成为数控加工行业今后的研究热点,钛合金航空结构件的高效数控加工的需求也是推动数控技术发展的源泉。

     
    (文/标准件之家)
    打赏
    免责声明
    • 
    本文为标准件之家原创作品,作者: 标准件之家。欢迎转载,转载请注明原文出处:https://www.bzjzhijia.com/zhishi/show-14874.html 。本文仅代表作者个人观点,本站未对其内容进行核实,请读者仅做参考,如若文中涉及有违公德、触犯法律的内容,一经发现,立即删除,作者需自行承担相应责任。涉及到版权或其他问题,请及时联系我们。
     
    网站首页  |  关于我们  |  联系方式  |  使用协议  |  版权隐私  |  网站地图  |  排名推广  |  广告服务  |  积分换礼  |  网站留言  |  RSS订阅  |  违规举报  |  冀ICP备19022299号-2