文琴，徐正德，陳學(xué)振，趙中剛，張玉嘉

航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 四川成都 610091

1 序言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和耐熱性高等優(yōu)良的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。與鋁合金材料相比，鈦合金的熱導(dǎo)率低，變形系數(shù)小且化學(xué)活性高，是一種典型的難加工材料，其切削加工的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在刀具吸收的切削熱太多，導(dǎo)致刀具磨損加快甚至破損[1-6]。通過(guò)技術(shù)及管理手段將刀具加工信息及時(shí)反饋并預(yù)警，對(duì)刀具現(xiàn)場(chǎng)加工過(guò)程中的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[7-10]。因此，本文針對(duì)復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)件加工燒傷失效的影響進(jìn)行分析，并對(duì)不同加工工況的工程應(yīng)用展開(kāi)研究，特別是腹板加工燒傷典型問(wèn)題，以鈦合金框類(lèi)航空結(jié)構(gòu)件腹板燒傷情況作為考察對(duì)象，通過(guò)刀具使用與加工過(guò)程監(jiān)控等技術(shù)管理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)超大型鈦合金框類(lèi)工件燒傷質(zhì)量問(wèn)題的進(jìn)一步穩(wěn)定控制，對(duì)提高航空制造業(yè)整體技術(shù)水平具有重要工程應(yīng)用意義。

2 原因剖析

大型臥式機(jī)床在加工某超大框類(lèi)工件精銑腹板時(shí)，一處框格腹板加工燒傷，范圍106mm× 104mm×2.7mm（長(zhǎng)×寬×深），工件材料為T(mén)C4，毛坯價(jià)值超過(guò)100萬(wàn)元。工件一處框格腹板加工燒傷（見(jiàn)圖1），刀桿底部有熔融粘接痕跡。

圖1 零件腹板燒傷區(qū)域

2.1 根本原因剖析

5why分析法是一種診斷性技術(shù)，被用來(lái)識(shí)別和說(shuō)明因果關(guān)系鏈，避開(kāi)主觀假設(shè)和邏輯陷阱，找到問(wèn)題的根源，從根源著手去改善問(wèn)題[11]。應(yīng)用5why分析法對(duì)大型鈦合金框類(lèi)工件腹板加工燒傷問(wèn)題進(jìn)行深度剖析，流程見(jiàn)表1，得到根本原因是：刀具產(chǎn)生磨損、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷、缺少刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)評(píng)價(jià)規(guī)范與機(jī)床監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)管理規(guī)范。

表1 5why法分析流程

2.2 刀具原因分析

刀具為可轉(zhuǎn)位刀具JDXTIAY4GNT/32*10*80R3，直徑32mm，刃長(zhǎng)10mm，工作長(zhǎng)度80mm，底角R3mm，4齒，容屑深度為0.7mm，刀片材質(zhì)為硬質(zhì)合金，刀桿材質(zhì)為鋼件，加工對(duì)象為鈦合金。故障發(fā)生時(shí)刀桿底部有熔融粘接痕跡，有一處約4mm×6mm的積屑瘤，積屑瘤頂部已磨平至與刀尖等高，刀具一刀齒內(nèi)側(cè)有缺損，如圖2所示。

圖2 刀具損傷

根據(jù)程序仿真，故障區(qū)域與機(jī)床監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警的時(shí)間相符，此處設(shè)備功率最大達(dá)到20%（通常功率為5%～10%）。操作者檢查時(shí)刀具在工件上未抬刀，積屑瘤隱藏在刀具底部，而刀具周齒無(wú)缺損，所以未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)分析，刀具發(fā)生損傷的主要原因如下。

（1）刀具容屑空間不足 從更換新刀具開(kāi)始到發(fā)現(xiàn)故障，該刀具已加工了約180min（在使用壽命內(nèi)），刀具加工前確認(rèn)無(wú)破損，在加工過(guò)程中刀齒底角R3mm發(fā)生少量破損，造成切屑形狀異常，進(jìn)而導(dǎo)致切屑排出不暢，進(jìn)入刀具底部。刀具底部無(wú)切削能力，而且刀具容屑空間僅0.7mm，切屑與工件腹板摩擦升溫，在刀具底部堆積形成積屑瘤，工件被燒傷。刀具關(guān)鍵參數(shù)包括加工材料、齒數(shù)、工作長(zhǎng)度、刃長(zhǎng)、底角R和刀具直徑，未考慮到可轉(zhuǎn)位刀具底部容屑空間對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此未對(duì)容屑空間提出具體要求。

（2）刀具切削穩(wěn)定性差 刀具材料問(wèn)題、過(guò)度使用及切削力不穩(wěn)定均可能造成刀具破損。根據(jù)刀具實(shí)物故障調(diào)查，刀具出廠和驗(yàn)收均未顯示材料存在問(wèn)題。刀具平均使用壽命為320min，而實(shí)際刀具加工時(shí)間為180min，在刀具使用壽命范圍內(nèi)，不存在過(guò)度使用的情況。由于鈦合金屬于難加工材料，加之相同工件熱處理后變形的狀態(tài)和粗加工后的余量存在差異，在加工過(guò)程中變形、讓刀等原因會(huì)造成局部切削穩(wěn)定性不足的情況，自身的硬度導(dǎo)致刀具磨損快，規(guī)律性差，所以刀具加工的切削穩(wěn)定性較差。

2.3 監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)分析

加工所使用的監(jiān)控系統(tǒng)屬于新技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)仍處在不斷的更新中，相關(guān)的制度和規(guī)范尚不完善。該系統(tǒng)一直存在誤報(bào)警的情況，其主要原因?yàn)橄到y(tǒng)學(xué)習(xí)不成功。加工首件工件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，收集加工狀態(tài)，設(shè)定監(jiān)控極限值，但只要存在加工暫停，系統(tǒng)便認(rèn)為學(xué)習(xí)結(jié)束，再次啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)便進(jìn)入監(jiān)控階段。這時(shí)的加工沒(méi)有執(zhí)行學(xué)習(xí)，未設(shè)定極限值，當(dāng)后續(xù)加工該類(lèi)工件時(shí)，程序運(yùn)行到學(xué)習(xí)暫停段位后，系統(tǒng)檢測(cè)出負(fù)載，由于當(dāng)前無(wú)極限值，系統(tǒng)檢測(cè)認(rèn)為過(guò)載，產(chǎn)生報(bào)警，該類(lèi)報(bào)警屬于誤報(bào)警信息。

在已有的加工規(guī)范中，對(duì)于正常報(bào)警和誤報(bào)警的區(qū)分、消除報(bào)警的規(guī)范性操作未進(jìn)行有效說(shuō)明。系統(tǒng)報(bào)警后，操作者一方面未對(duì)刀具整體進(jìn)行檢查，只檢查了刀具周齒，忽略了底齒部位；另一方面在處理機(jī)床報(bào)警時(shí)，無(wú)法直接獲取有效信息，判斷報(bào)警的具體原因，只能憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及外觀檢查結(jié)果判定為誤報(bào)警，后消除報(bào)警繼續(xù)加工，導(dǎo)致系統(tǒng)監(jiān)控失效。系統(tǒng)監(jiān)控過(guò)程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)控過(guò)程

該問(wèn)題暴露出在該系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中存在技術(shù)不成熟和管理紕漏的問(wèn)題，對(duì)操作者應(yīng)采取的應(yīng)對(duì)措施未作出規(guī)范，導(dǎo)致此質(zhì)量問(wèn)題未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而造成質(zhì)量故障，導(dǎo)致高價(jià)值工件報(bào)廢。

3 優(yōu)化策略

3.1 刀具結(jié)構(gòu)與管理優(yōu)化

（1）刀具壽命管理 建立并定時(shí)更新刀具壽命庫(kù)（見(jiàn)表2），包含刀具適用的切削環(huán)境，刀具適用的壽命范圍，避免刀具破損造成產(chǎn)品故障。如果發(fā)生連續(xù)5把刀具在壽命期內(nèi)損壞的情況，則立即核查刀具壽命及適用環(huán)境，更新刀具壽命表，且刀具壽命至少每年度更新一次。

表2 刀具壽命庫(kù)示意

（2）刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化 故障前使用的刀具容屑空間原為1.5mm，后來(lái)供應(yīng)商將刀具容屑空間更改為0.7mm，而刀具庫(kù)中另一廠家生產(chǎn)的刀具容屑空間為2.2mm（見(jiàn)圖4）。兩種容屑空間不同的刀具，卻采用同一刀具號(hào)進(jìn)行管理，充分暴露出刀具管理過(guò)程中未充分識(shí)別刀具容屑空間對(duì)加工的影響。

圖4 刀具容屑空間2.2mm

為促進(jìn)刀具使用的科學(xué)性、合理性和規(guī)范化，提高刀具加工效率，降低刀具損耗，減少刀具使用過(guò)程中的質(zhì)量故障，需要制定刀具使用管理規(guī)定，指導(dǎo)刀具的應(yīng)用和管理：底齒不過(guò)中心的可轉(zhuǎn)位新刀具，應(yīng)對(duì)刀具底齒無(wú)切削刃的區(qū)域（見(jiàn)圖5）進(jìn)行尺寸復(fù)查，尺寸應(yīng)滿足現(xiàn)有同類(lèi)型刀具尺寸的最低使用要求。如：現(xiàn)用于鈦合金加工的底齒不過(guò)中心的可轉(zhuǎn)位方肩立銑刀JDXTIAY4GNT/32*10*80R3，底齒不過(guò)中心即沒(méi)有切削刃區(qū)域?yàn)橹睆紻CK＝20mm，深度HK＝0.5mm，若其他新刀具此部分尺寸小于該尺寸，則不予使用。

圖5 底齒無(wú)切削刃區(qū)域示意

（3）激光測(cè)刀監(jiān)控 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)刀具長(zhǎng)度作為刀具標(biāo)準(zhǔn)值，在機(jī)床調(diào)取待用刀具后，加工前將刀具放置在測(cè)刀儀兩測(cè)頭之間，應(yīng)用激光測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)刀具直徑與底角，測(cè)刀系統(tǒng)硬件如圖6所示。將測(cè)量值與刀具標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，若在刀具使用誤差范圍內(nèi)則刀具完好，可繼續(xù)加工；若超出刀具標(biāo)準(zhǔn)值一定范圍，則測(cè)刀系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提醒操作者刀具不滿足要求，需更換刀具，避免因刀具錯(cuò)誤或破損發(fā)生工件質(zhì)量問(wèn)題。

圖6 測(cè)刀系統(tǒng)硬件

3.2 監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)管理

（1）監(jiān)控系統(tǒng)學(xué)習(xí)采樣 在學(xué)習(xí)采樣階段，工件首次加工時(shí)，若監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)無(wú)當(dāng)前監(jiān)控號(hào)段學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，則通過(guò)采集首件加工過(guò)程中的功率數(shù)據(jù)，作為該監(jiān)控號(hào)段的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)加工監(jiān)控預(yù)警 數(shù)控加工過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前監(jiān)控號(hào)段有學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)采樣學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，設(shè)置相對(duì)應(yīng)的監(jiān)控閾值線（見(jiàn)圖7）。一般情況下，Wear（磨損）監(jiān)控線設(shè)置較低的監(jiān)控閾值，在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上放大30%，允許加工過(guò)程中實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)超過(guò)該閾值線持續(xù)2s，超過(guò)2s后實(shí)施報(bào)警停機(jī)；Break（破損）監(jiān)控線在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上放大50%，允許加工過(guò)程中實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)超過(guò)該閾值線1s，超過(guò)1s后觸發(fā)報(bào)警停機(jī)功能；Overload（過(guò)載）報(bào)警線設(shè)置較高的監(jiān)控閾值，在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上放大一倍，加工過(guò)程中實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)一旦超過(guò)該閾值線立刻報(bào)警停機(jī)。

圖7 監(jiān)控閾值線

（3）監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警處置 系統(tǒng)出現(xiàn)監(jiān)控報(bào)警時(shí)，若刀具停止在工件上，需對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行分析，檢查刀具或工件的加工狀態(tài)，若刀具或工件出現(xiàn)故障，須通知相關(guān)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化控制策略對(duì)超大型鈦合金框類(lèi)工件腹板加工燒傷的效果，在某數(shù)控設(shè)備上以加工的30項(xiàng)超大型鈦合金框類(lèi)工件作為對(duì)象開(kāi)展了應(yīng)用驗(yàn)證，具體情況見(jiàn)表3。

表3 驗(yàn)證情況

由表3統(tǒng)計(jì)的某超大型鈦合金框類(lèi)工件采用優(yōu)化策略后的腹板加工燒傷情況可以看出，實(shí)施本文提出的優(yōu)化控制策略后，未發(fā)生由于腹板加工燒傷導(dǎo)致的工件故障。另外，設(shè)備誤報(bào)警次數(shù)由208次/年銳減至23次/年。由此可見(jiàn)，本文提出的超大型鈦合金框類(lèi)工件腹板加工燒傷優(yōu)化策略對(duì)腹板加工燒傷有顯著的改善效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合超大型鈦合金框類(lèi)工件腹板加工燒傷分析，得出結(jié)論如下。

1）超大型鈦合金框類(lèi)工件腹板加工燒傷根本原因是刀具使用與加工過(guò)程監(jiān)控失效。

2）設(shè)計(jì)安裝激光測(cè)刀硬件系統(tǒng)，建立刀具壽命庫(kù)，規(guī)范刀具使用管理，特別針對(duì)刀具底部無(wú)切削能力的容屑空間進(jìn)行規(guī)范管理。

3）改進(jìn)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警處置模塊，規(guī)范監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)管理，通過(guò)監(jiān)控加工過(guò)程中的功率變化，從技術(shù)上避免刀具破損等帶來(lái)的切削異常與工件質(zhì)量問(wèn)題，消除機(jī)床監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)誤報(bào)警的情況，使監(jiān)控過(guò)程更高效、穩(wěn)定且可靠。

4）實(shí)施優(yōu)化控制策略后，機(jī)床誤報(bào)警次數(shù)由208次/年減少為23次/年，且未發(fā)生腹板燒傷故障，由此可見(jiàn)本文提出的優(yōu)化策略對(duì)腹板加工燒傷有顯著控制效果。

20221212