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激光快速成形TA15钛合金切削加工性能研究(4)

   2015-07-24 IP属地 陕西6190
  研究还表明,在高速粗加工过程中,要着重考虑以下几方面。
  (1)采用顺铣(爬升切削)方式,以保持切削条件恒定,获得较好的表面质量;
  (2)保持金属去除率恒定和选择合理的走刀方式;
  (3)尽量减少刀具的切入次数,可选择回路或单一路径切削模式来进行顺铣。
  4.2 铣削精加工
  精加工的基本要求是获得很高的精度、光滑的零件表面,实现精细区域的加工,如小的圆角、沟槽等。三维螺旋策略综合了螺旋加工和等高加工策略的优点,可避免平行策略和偏置精加工策略中出现的频繁方向改变,从而提高了加工速度,减少了刀具磨损,还可以在很少抬刀的情况下生成连续光滑的刀具路径。
  针对激光快速成形某大型TA15钛合金飞机构件切削加工中存在大量R圆角的实际情况,在精加工中应采用笔式加工。首先找到先前大尺寸刀具加工后留下的拐角和凹槽,然后自动沿着这些拐角走刀,允许采用越来越小的刀具,直到刀具半径与三维拐角或凹槽的半径相一致,从而降低了拐角处的切削难度,也降低了让刀量和噪声的产生。
  采用该精加工编程策略对激光快速成形TA15合金某大型“腹板+筋条结构”飞机构件进行机械加工,获得了较好的效果,精加工后的局部如图8所示。
  图8 激光快速成形TA15钛合金工件精加工状态实物图
  4.3 镗孔、钻孔与攻丝
  精加工后直接在数控加工中心上对工件上不同孔径、不同方向的百余个孔进行钻削(图9(a));然后在卧式数控镗铣床上对左右2个对称的轴承孔进行镗削(图9(b));最后采用配模手工钻制个别孔,并对轴承孔上的注油孔内螺纹进行手动攻丝,工艺参数基本参照BT20钛合金锻件的加工工艺。
  图9 激光快速成形TA15钛合金构件镗削、钻削和攻丝等加工后实物照片
 
  检测结果表明,加工后获得了精确的孔径、孔位和良好的孔表面质量。实际加工过程中同时发现,镗削和钻削的稳定性较好,刀具的磨损程度与锻件相当,基本未发生断钻现象。
  4.4 切削变形控制
  针对激光快速成形尺寸达1730mm×380mm×275 mm的飞机某大型钛合金构件铣削等加工过程中不可避免的残余应力及由此带来的加工变形,本课题从切削工艺、装夹和冷却等多方面研究了变形控制方法。
  激光快速成形钛合金薄壁/细长零件与锻造钛合金的对比试切工艺试验表明,激光快速成形钛合金零件的加工回弹量相对较小,但由于所研究零件具有大平面腹板+单侧不等厚/渐变厚度筋条的不对称结构,且零件腹板平面度要求很高,这给切削变形控制带来了较大难度。
  首先,对切削工艺进行了优化研究。针对该激光成形钛合金零件提出了多次翻转、单次少量加工的加工策略,在未进行加工过程中的任何去应力退火工艺条件下实现了对平面度的良好控制,但多次装夹和重新定位耗用一定工时,并且研究过程发现精加工零件经长时间放置后存在轻微变形(应力释放)的现象。据此,研究增加了半精加工和其后的去应力退火工序,通过半精加工使最终精加工量尽量小(单侧加工余量由原粗加工后的2.0~2.5mm减少至0.5~1.0mm)。随后,将半精加工件紧固于具有基准平面的装夹平台上进行去应力退火,结果表明,增加半精加工和其后的去应力退火工序后,最终精加工后零件的平面度控制效果更佳,长时间放置后重新测量零件平面度时未发现明显变形,表明经优化工序后的切削工艺大大降低了零件中的残余应力水平,有利于变形控制。
  其次,对装夹方式进行了优化。研究表明,夹具要有足够的刚性,工件在安装时夹紧力不宜过大,以减少加工时零件的振动或变形。此外,钛合金导热系数小,切削钛合金过程中产生的切削热积于切削刃附近不易散发,造成刀具磨损严重、加工表面粗糙度低甚至严重导致零件过烧,因此切削过程中必须对加工零件充分浇注切削液。激光快速成形钛合金零件的切削冷却没有特殊性,选用HGS-113切削液对该大型钛合金构件进行切削加工时效果良好。
  结论
  (1)激光快速成形TA15 钛合金“近终形”工件表面具有规则波纹起伏“鱼鳞纹”状形貌特征,这种特殊的表面形貌要求粗加工表面层时采用适当大的切深量。
  (2)激光快速成形钛合金零件粗加工前要求进行细致的划线定位,必要时应试走刀,以保证各部位均留有合适的加工余量。由于激光快速成形工件已具有一定尺寸精度,各部位之间形成了较强的尺寸关联关系。
  (3)激光快速成形TA15钛合金的铣削、镗削、钻削和攻丝等切削工艺性能与锻件无显着差异,其加工刀具材料和刀具几何参数的选择、切削工艺、冷却与装夹等除上述2方面特殊性外基本可参照锻件。
  (4)采用优化的切削工艺对激光快速成形某大型TA15钛合金飞机构件进行了铣削粗加工和精加工、镗孔、钻孔和攻丝,获得了良好的尺寸精度和表面质量。
 
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