張文明,楊新一,王 勃
(1.中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所,河南 洛陽 471009;2.國網(wǎng)汝陽縣供電公司,河南 汝陽 471200)
鈦合金由于具有高強度、低密度和高耐腐蝕的特點,在航空航天工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。然而在加工過程中,刀具耐用度低,熱導(dǎo)率小,粘刀嚴(yán)重,其屬于難加工材料[1-2]。
方位軸下支座是光電探測設(shè)備方位部件中的關(guān)鍵零件,其涉及到多組精密軸孔配合,包括軸承配合、裝調(diào)基準(zhǔn)、靜密封和動密封等。其中,方位軸座端面槽側(cè)壁是保證整機產(chǎn)品密封性能的關(guān)鍵特征,其尺寸精度、幾何誤差要求嚴(yán)格(見圖1和圖2)。
圖1 端面槽結(jié)構(gòu)
圖2 端面槽加工技術(shù)要求
根據(jù)該零件的技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)特點,采用臥式車削中心進行加工,通過專用工裝的設(shè)計與應(yīng)用,可以一次裝夾完成多處內(nèi)外圓的加工,也能更好地保證工件的幾何公差、尺寸精度等。
方位軸下支座的端面槽在加工過程中存在較大的刀具干涉深度,需要采用專用的端面槽刀配合切削鈦合金的專用刀片進行加工。本著先粗后精、基面先行的加工原則,制定了方位軸下支座的數(shù)控車削加工工藝路線(見表1)。
表1 端面槽精密車削加工工藝路線
采用上述加工工藝加工的端面槽零件,檢測結(jié)果顯示,端面的尺寸及幾何公差均滿足產(chǎn)品性能要求,但是表面粗糙度>Ra6.3 μm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到圖樣Ra0.8 μm的設(shè)計要求。端面槽的加工效果圖如圖3所示,可以看到加工表面具有明顯的魚鱗狀顫刀紋。
圖3 方位軸下支座端面槽車削加工效果圖
方位軸下支座的端面槽結(jié)構(gòu)加工干涉距離長,需要長懸伸的加工刀具,在加工過程中出現(xiàn)了明顯的顫刀紋,分析導(dǎo)致端面槽顫刀紋的原因如下。
1)切削力過大,而機床系統(tǒng)剛度不能滿足該切削力,則導(dǎo)致了顫刀紋的出現(xiàn)(切削參數(shù)設(shè)置不合理,切削參數(shù)的設(shè)置直接決定了切削力的大小[3];刀具選型不合理,刀具的幾何參數(shù)與切削力緊密相關(guān);上述原因均可導(dǎo)致)[4-5]。
2)利用端面槽刀加工端面槽具有其工藝方法本身的局限性,無法加工出高質(zhì)量的零件表面[6-7]。
根據(jù)切削顫振原理,未加工表面的表面波動會被復(fù)現(xiàn),即產(chǎn)生再生型顫振,因此控制好端面槽粗加工質(zhì)量至關(guān)重要。根據(jù)金屬切削原理,切削力與切削參數(shù)之間存在復(fù)雜的指數(shù),對于端面槽車削粗加工來說,其切削寬度由刀片的寬度決定,是恒定值,主要控制主軸轉(zhuǎn)速和進給速度[8-9]。
切削力會隨切削速度的增大而減小,但是切削速度的增大會導(dǎo)致刀具磨損加快;進給速度越快則切削力越大,因此筆者將進給速度控制在最低的數(shù)值0.01 mm/r。根據(jù)經(jīng)驗,將車削鈦合金的線速度控制在100 mm/min以內(nèi),在這個范圍內(nèi),不同線速度下的加工效果如圖4所示。
《魯迅小說》前100、字中獨有的17字為:“眼、便、吃、幾、見、老、兩、年、氣、卻、三、聲、十、四、似、太、阿”;《北語字表》獨有的17字為:“種、當(dāng)、兒、爾、發(fā)、會、開、能、情、如、身、斯、特、現(xiàn)、意、用、把”。
圖4 不同線速度下端面槽車削效果
從加工效果來看,使用端面槽刀開端面槽時,在100 mm/min的線速度范圍內(nèi),改變切削線速度對消除顫刀紋的效果不明顯。
開槽后,用端面槽刀對槽擴寬,通過改變切削線速度vc、Z向進給量f以及背吃刀量ap,來試驗不同切削參數(shù)下的表面加工質(zhì)量,試驗參數(shù)見表2。
表2 端面槽擴槽加工試驗參數(shù)
按照表2所列加工參數(shù)對端面槽進行擴槽加工試驗,端面槽車削效果如圖5所示。由圖5可以看出,加工表面仍存在較為嚴(yán)重的顫刀紋,并且顫刀紋的大小隨參數(shù)的改變沒有明顯的變化。
圖5 不同切削參數(shù)下端面槽車削效果
可見,使用目前的端面槽刀對零件進行加工,在試驗的加工參數(shù)范圍內(nèi),加工參數(shù)的改變沒有提升零件的表面質(zhì)量。
切削力的大小與刀具的幾何參數(shù)息息相關(guān),減小刀具前角,增大后角,可以使刀具更加鋒利,會減小切削層的變形及前面屑摩擦力[10-11];而刀尖圓弧越小,刀具越鋒利。因此,主要改變刀具這2個方面的幾何參數(shù),來觀察加工的效果。
不同前角下端面槽車削效果如圖6所示。根據(jù)加工效果可知,隨著刀具前角的減小,表面顫刀紋明顯減小。
圖6 不同前角下端面槽車削效果
不同刀尖圓角下端面槽車削效果如圖7所示。根據(jù)加工效果可知,刀具刀尖圓角的改變對端面槽表面顫刀紋的消除效果不明顯。
圖7 不同刀尖圓角下端面槽車削效果
由上述分析可知,在加工鈦合金端面槽的過程中,應(yīng)盡量選取小前角的刀片進行加工。
利用端面槽刀精車鈦合金端面槽,通過改變刀具的幾何參數(shù),端面槽表面質(zhì)量出現(xiàn)了明顯的改善,但并未消除顫刀紋;因此,考慮端面槽刀不適宜具有長干涉區(qū)的鈦合金端面槽的精密車削加工,需要更換其他工藝方法。
對端面槽進行了鏜削加工,采用40的鏜刀柄,刀具前角為0°。鈦合金端面槽鏜削加工及表面質(zhì)量如圖8所示。
圖8 端面槽鏜削加工及效果
對端面槽進行鏜削加工發(fā)現(xiàn),表面的顫刀紋完全消除,且表面粗糙度可以達(dá)到Ra1.6 μm,接近零件的設(shè)計指標(biāo)。為了進一步降低零件表面粗糙度,對端面槽進行拋光處理,最終使零件表面完全符合產(chǎn)品設(shè)計指標(biāo)。
根據(jù)試驗結(jié)果,對鈦合金端面槽精密數(shù)控車削加工工藝進行優(yōu)化,優(yōu)化后的端面槽精密車削加工工藝路線見表3。
表3 優(yōu)化后的端面槽精密車削加工工藝路線
鈦合金端面槽在車削加工過程中容易產(chǎn)生顫刀紋的質(zhì)量缺陷,通過改變端面槽刀的幾何參數(shù)可以減弱加工表面的顫刀紋,但是不能完全消除。通過增加鏜削和拋光的加工工序,不僅可以完全消除顫刀紋,同時可以大幅提升鈦合金端面槽的表面加工質(zhì)量。
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