论文部分内容阅读
摘要：喷嘴零件为薄壁零件，为满足其使用特性，充分考虑钛合金材料的加工特性，并保证零件薄壁部分的加工变形在公差范围内，设计了符合企业经济性要求的加工工艺方案，选择合适的刀具和切削参数，加工出满足精度要求的零件。
关键词：钛合金;薄壁;工艺方案;切削参数
一、零件描述
喷嘴零件为飞机油路中的部件，工作时喷嘴空腔中有液压油流过，喷嘴需承受液压油的压力，零件在高温、高压的环境下工作时需长期保证其工作特性，保证与其它零件联接时的气密性。为保证零件工作时的强度、刚度并减轻零件的重量角度考虑，采用钛合金TC2作为零件材质。零件的形式如图1所示。
二、精度要求
零件图如图2所示：
喷嘴零件的加工部位分为两个区域，一为在主视图中右侧的薄壁筒，从图中可知，该部位最大直径处为Ф56mm，壁厚为1.5mm其零件壁厚与轮廓直径比值为37，为典型薄壁零件，此类零件在加工中对各种影响因素十分敏感， 极易产生变形， 很难满足精度要求， 严重影响产品质量， 是喷嘴零件加工时重要考虑的问题。另一个主要加工部位为主视图左侧的喷嘴接口部分，此部分径向尺寸较大，轴向尺寸相对较小，可看做盘类零件加工，从图中可看出，此处需加工尺寸较多，且加工部位多分布在薄壁筒上，易在加工过程中造成零件变形。
从整体来看，喷嘴零件加工精度要求不高，主要难点集中在各薄壁部位的加工。
三、加工工艺方案设计
1、加工机床的选定
钛合金具有强度高、导热性差的特点。为了提高切削加工效率，要相应提高各切削参数的值，即加大进给量和切削深度，但这样做的后果是会增大切削力，从而导致工件和刀具之间产生静态偏差，造成零件的形状精度下降或加工过程不稳定的结果，同时也会加快刀具的磨损。因此，钛合金加工所应用的机床必须具备大功率的特性及较高的静、动刚度。
钛合金的切削加工属于强力切削，所以机床主轴的驱动功率要大，以实现大功率强力切削。在航空工业中，对钛合金构件进行机械加工时，为便于切屑清除，要管理好冷却润滑装置，配合使用相应的高压冷却润滑设备，使大量高压冷却润滑剂直接喷射在刀具切削刃上，以确保在大扭矩、低转速加工情况下能够及时清除切屑，以减少加工过程刀具的磨损及传递给刀具的热量。这样，一方面冷却刀具，另一方面可更好地及时把切屑冲出加工区，以免切屑遭多次切割而降低刀具寿命，划伤已加工面。
总之，加工钛合金的机床应该具备大功率、高的动、静刚度的特性，并配有大流量高压冷却装置，并且还要抗振性好。
由零件分析可知，喷嘴零件的整体加工精度要求不高，喷嘴一端有一流线形收口，另一端尺寸相对集中，有槽、螺纹等结构，且尺寸较小，从形状来看，是回转体零件，应属于筒型零件的加工范畴。结合零件尺寸及结构特点，可确定其主要加工机床为数控车床，并配以铣床进行辅助加工，即可满足零件要求。根据前面分析的切削钛合金零件时机床应具备的特性，并结合现场生产条件，最终确定使用数控系统为FANUC 0i Mate-TC的CAK6150Dj数控车床进行零件加工。该车床为成能型加工车床，可进行多次重复循环加工，特别适合于汽车、石油机械、军工等多种行业的机械加工，主要用于轴类、盘类的精加工和半精加工，可以加工内、外圆柱表面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体。
2、定位与夹紧
喷嘴零件为薄壁件，设计定位及夹紧机构时，最应关注的问题是：由于零件的结构特性，刚度较差，采用何种定位方式，能保证加工时不产生变形;对工件进行夹紧时，夹紧机构既要能提供足够的夹紧力，又不使零件变形及夹紧伤;这是本零件加工的难点之一。
合理的定位與夹紧是保证零件加工精度的重要措施之一。喷嘴零件为薄壁筒型件，零件外形规则，以轴线为对称，依据此类零件的结构特点，定位时多采用零件的外圆柱面及内孔作为定位基准，定位元件一般采用三爪卡盘、心轴并配合顶尖使用，心轴又因零件不同，可采用不同的形式。
3、确定工艺基准
（1）确定粗基准
根据喷嘴零件结构特点确定粗基准。喷嘴零件毛坯为钛合金棒料，外形规则，且加工完成的零件也为较规整的回转体零件，所以选择棒料的外圆柱面作为零件加工的粗基准。
（2）确定精基准
喷嘴零件为回转体零件，所以在大多数加工工序中以回转体的外圆柱表面做为精基准，采用的是基准统一原则;同时定位基准与零件的设计基准相同，应用的是基准重合原则;在外形及内孔交替加工的过程中应用了互为基准原则。灵活选择零件加工精基准对保证零件的加工精度及夹具的选择及设计都起着重要作用，所以在确定零件加工基准时，不仅要关注零件本身的结构特点，也要考虑企业的现场加工条件，以最经济的方法完成零件的加工。
4、喷嘴零件加工工艺路线设计（如表1）
5、刀具的选择
在企业中，ISCAR已拥有一系列解决钛合金，高温合金难加工的方案，针对镍基合金、高温合金、钛合金研发了专用系列刀片。ISCAR系列刀具采用超细基体的TiAIN PVD涂层来加工钛合金、高温合金。PVD所带来的薄的、光滑的涂层表面，与基体之间强的粘附力，提高了刀具抗剥落、抗月牙洼的能力。因而，PVD涂层令刀片具有更好的耐磨性，化学稳定性，抗积屑瘤的性能。
在企业中，各生产厂已经根据自已生产条件，全部及部分的开始使用ISCAR各系统的刀具及相关附件。
通过查阅ISCAR刀具说明书，确定喷嘴零件加工的刀具方案。
（1）粗加工
选择LNMX 150608R/L-HM型刀片切削该喷嘴零件。
HM型断屑槽为新型断屑槽，适用于加工粘性被加工材料。
该型刀片切削钛合金零件时切削速度范围为Vc=30-40m/min，进给范围：f =0.10mm/r-0.50 mm/r，切深范围：ap=1.0-6.0 mm，端面最大切深：ap=3.8 mm。 根据刀片类型选择刀杆型号：
粗车外形时刀杆规格为SLFNR/L 2525M-15 TANG，刀杆形式如图3所示。
粗加工内形时刀杆规格为S50U SLANR/L-15 TANG，刀杆形式如图4所示。
（2）半精加工
选择WNMG 06T304-TF型刀片切削该喷嘴零件。
TF断屑槽：正前角-有效防止加工硬化现象的产生，增强型切削刃-有效避免刀片的崩刃，适用于加工碳素钢、合金钢、不锈钢以及高温合金。
TF型断屑槽刀片切削钛合金零件时切削速度为切削速度范围为Vc=44-55m/min，进给范围：f =0.12mm/r-0.35 mm/r，切深范围：ap=1.0-3.0 mm。
根据刀片类型选择刀杆型号：
半精车外形时刀杆规格为MWLNR/L 2525M-06W，刀杆形式如图5所示。
半精车内形时刀杆规格为S32U MWLNR/L-06W，刀杆形式如图6所示。
（3）精加工
选择WNMG 06T302-NF型刀片切削该喷嘴零件。
NF断屑槽：双面断屑槽，锋利的切削刃、正前角设计，具有切削力低的特点，适用于精加工、半精加工。
NF型断屑槽刀片切削钛合金零件时切削速度为切削速度范围为Vc=50-70m/min，进给范围：f =0.08mm/r-0.20 mm/r，切深范围：ap=0.3-1.5 mm。
根据刀片类型选择刀杆型号：
精车外形时刀杆规格为MWLNR/L 2525M-06W，刀杆形式如图5所示。
精车内形时刀杆规格为S32U MWLNR/L-06W，刀杆形式如图6所示。
根据以上说明可知半精加工和精加工所选择的刀片的形式相似，区别只在于断屑槽的形式不同及刀尖圆角直径不同-半精加工时为0.4mm，精加工时为0.2mm。所以对于形状及尺寸精度要求不高的零件可以省略半精加工阶段，直接通过精加工获得所需要的零件。
6、加工验证
确定了喷嘴零件加工的各工艺要素，在企业中按照所设计的工艺方案对喷嘴零件进行了加工，并取得了良好的加工效果。虽然喷嘴零件的材料为难加工的钛合金TC2，但整体加工精度要求不高， 采用了较经济的CAK6150Dj数控车床进行零件的整体加工，降低了加工成本。在加工过程中通过选择合适的定位基准、安排合理的加工工序使加工过程简化，尽量多的使用了通用夹具及刀具保证零件的加工精度，缩短了零件的加工周期。
在企业实际加工时，选择Ф105钛合金TC2棒料作为毛坯，采用车床三爪卡首轮进行装夹，粗加工后，为避免夹伤工件及准确定心夹紧，采用护圈及开口胎进行装夹，车喷嘴端头处外圆及螺纹，粗、精车内轮廓，以内轮廓定位加工外轮廓，采用专用夹具装夹工件，车削加工时采用一夹一顶方式，车削完成后，在普通立铣床上应用分度头铣削四个槽，以此工序后，完成零件全部加工过程。
实际加工中，每批零件要求的数量大约为3～5个，采用小批量生产的模式，可以在3～5天时间内完成加工，平均效率为每天完成一件，在保证各项质量要求的情况下，满足加工周期的要求。
中图分类号：TH162
作者简介：李雅娜（1978-），女，辽宁沈陽人，讲师，硕士，研究方向：数控加工技术;籍贯：辽宁鞍山。
关键词：钛合金;薄壁;工艺方案;切削参数
一、零件描述
喷嘴零件为飞机油路中的部件，工作时喷嘴空腔中有液压油流过，喷嘴需承受液压油的压力，零件在高温、高压的环境下工作时需长期保证其工作特性，保证与其它零件联接时的气密性。为保证零件工作时的强度、刚度并减轻零件的重量角度考虑，采用钛合金TC2作为零件材质。零件的形式如图1所示。
二、精度要求
零件图如图2所示：
喷嘴零件的加工部位分为两个区域，一为在主视图中右侧的薄壁筒，从图中可知，该部位最大直径处为Ф56mm，壁厚为1.5mm其零件壁厚与轮廓直径比值为37，为典型薄壁零件，此类零件在加工中对各种影响因素十分敏感， 极易产生变形， 很难满足精度要求， 严重影响产品质量， 是喷嘴零件加工时重要考虑的问题。另一个主要加工部位为主视图左侧的喷嘴接口部分，此部分径向尺寸较大，轴向尺寸相对较小，可看做盘类零件加工，从图中可看出，此处需加工尺寸较多，且加工部位多分布在薄壁筒上，易在加工过程中造成零件变形。
从整体来看，喷嘴零件加工精度要求不高，主要难点集中在各薄壁部位的加工。
三、加工工艺方案设计
1、加工机床的选定
钛合金具有强度高、导热性差的特点。为了提高切削加工效率，要相应提高各切削参数的值，即加大进给量和切削深度，但这样做的后果是会增大切削力，从而导致工件和刀具之间产生静态偏差，造成零件的形状精度下降或加工过程不稳定的结果，同时也会加快刀具的磨损。因此，钛合金加工所应用的机床必须具备大功率的特性及较高的静、动刚度。
钛合金的切削加工属于强力切削，所以机床主轴的驱动功率要大，以实现大功率强力切削。在航空工业中，对钛合金构件进行机械加工时，为便于切屑清除，要管理好冷却润滑装置，配合使用相应的高压冷却润滑设备，使大量高压冷却润滑剂直接喷射在刀具切削刃上，以确保在大扭矩、低转速加工情况下能够及时清除切屑，以减少加工过程刀具的磨损及传递给刀具的热量。这样，一方面冷却刀具，另一方面可更好地及时把切屑冲出加工区，以免切屑遭多次切割而降低刀具寿命，划伤已加工面。
总之，加工钛合金的机床应该具备大功率、高的动、静刚度的特性，并配有大流量高压冷却装置，并且还要抗振性好。
由零件分析可知，喷嘴零件的整体加工精度要求不高，喷嘴一端有一流线形收口，另一端尺寸相对集中，有槽、螺纹等结构，且尺寸较小，从形状来看，是回转体零件，应属于筒型零件的加工范畴。结合零件尺寸及结构特点，可确定其主要加工机床为数控车床，并配以铣床进行辅助加工，即可满足零件要求。根据前面分析的切削钛合金零件时机床应具备的特性，并结合现场生产条件，最终确定使用数控系统为FANUC 0i Mate-TC的CAK6150Dj数控车床进行零件加工。该车床为成能型加工车床，可进行多次重复循环加工，特别适合于汽车、石油机械、军工等多种行业的机械加工，主要用于轴类、盘类的精加工和半精加工，可以加工内、外圆柱表面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体。
2、定位与夹紧
喷嘴零件为薄壁件，设计定位及夹紧机构时，最应关注的问题是：由于零件的结构特性，刚度较差，采用何种定位方式，能保证加工时不产生变形;对工件进行夹紧时，夹紧机构既要能提供足够的夹紧力，又不使零件变形及夹紧伤;这是本零件加工的难点之一。
合理的定位與夹紧是保证零件加工精度的重要措施之一。喷嘴零件为薄壁筒型件，零件外形规则，以轴线为对称，依据此类零件的结构特点，定位时多采用零件的外圆柱面及内孔作为定位基准，定位元件一般采用三爪卡盘、心轴并配合顶尖使用，心轴又因零件不同，可采用不同的形式。
3、确定工艺基准
（1）确定粗基准
根据喷嘴零件结构特点确定粗基准。喷嘴零件毛坯为钛合金棒料，外形规则，且加工完成的零件也为较规整的回转体零件，所以选择棒料的外圆柱面作为零件加工的粗基准。
（2）确定精基准
喷嘴零件为回转体零件，所以在大多数加工工序中以回转体的外圆柱表面做为精基准，采用的是基准统一原则;同时定位基准与零件的设计基准相同，应用的是基准重合原则;在外形及内孔交替加工的过程中应用了互为基准原则。灵活选择零件加工精基准对保证零件的加工精度及夹具的选择及设计都起着重要作用，所以在确定零件加工基准时，不仅要关注零件本身的结构特点，也要考虑企业的现场加工条件，以最经济的方法完成零件的加工。
4、喷嘴零件加工工艺路线设计（如表1）
5、刀具的选择
在企业中，ISCAR已拥有一系列解决钛合金，高温合金难加工的方案，针对镍基合金、高温合金、钛合金研发了专用系列刀片。ISCAR系列刀具采用超细基体的TiAIN PVD涂层来加工钛合金、高温合金。PVD所带来的薄的、光滑的涂层表面，与基体之间强的粘附力，提高了刀具抗剥落、抗月牙洼的能力。因而，PVD涂层令刀片具有更好的耐磨性，化学稳定性，抗积屑瘤的性能。
在企业中，各生产厂已经根据自已生产条件，全部及部分的开始使用ISCAR各系统的刀具及相关附件。
通过查阅ISCAR刀具说明书，确定喷嘴零件加工的刀具方案。
（1）粗加工
选择LNMX 150608R/L-HM型刀片切削该喷嘴零件。
HM型断屑槽为新型断屑槽，适用于加工粘性被加工材料。
该型刀片切削钛合金零件时切削速度范围为Vc=30-40m/min，进给范围：f =0.10mm/r-0.50 mm/r，切深范围：ap=1.0-6.0 mm，端面最大切深：ap=3.8 mm。 根据刀片类型选择刀杆型号：
粗车外形时刀杆规格为SLFNR/L 2525M-15 TANG，刀杆形式如图3所示。
粗加工内形时刀杆规格为S50U SLANR/L-15 TANG，刀杆形式如图4所示。
（2）半精加工
选择WNMG 06T304-TF型刀片切削该喷嘴零件。
TF断屑槽：正前角-有效防止加工硬化现象的产生，增强型切削刃-有效避免刀片的崩刃，适用于加工碳素钢、合金钢、不锈钢以及高温合金。
TF型断屑槽刀片切削钛合金零件时切削速度为切削速度范围为Vc=44-55m/min，进给范围：f =0.12mm/r-0.35 mm/r，切深范围：ap=1.0-3.0 mm。
根据刀片类型选择刀杆型号：
半精车外形时刀杆规格为MWLNR/L 2525M-06W，刀杆形式如图5所示。
半精车内形时刀杆规格为S32U MWLNR/L-06W，刀杆形式如图6所示。
（3）精加工
选择WNMG 06T302-NF型刀片切削该喷嘴零件。
NF断屑槽：双面断屑槽，锋利的切削刃、正前角设计，具有切削力低的特点，适用于精加工、半精加工。
NF型断屑槽刀片切削钛合金零件时切削速度为切削速度范围为Vc=50-70m/min，进给范围：f =0.08mm/r-0.20 mm/r，切深范围：ap=0.3-1.5 mm。
根据刀片类型选择刀杆型号：
精车外形时刀杆规格为MWLNR/L 2525M-06W，刀杆形式如图5所示。
精车内形时刀杆规格为S32U MWLNR/L-06W，刀杆形式如图6所示。
根据以上说明可知半精加工和精加工所选择的刀片的形式相似，区别只在于断屑槽的形式不同及刀尖圆角直径不同-半精加工时为0.4mm，精加工时为0.2mm。所以对于形状及尺寸精度要求不高的零件可以省略半精加工阶段，直接通过精加工获得所需要的零件。
6、加工验证
确定了喷嘴零件加工的各工艺要素，在企业中按照所设计的工艺方案对喷嘴零件进行了加工，并取得了良好的加工效果。虽然喷嘴零件的材料为难加工的钛合金TC2，但整体加工精度要求不高， 采用了较经济的CAK6150Dj数控车床进行零件的整体加工，降低了加工成本。在加工过程中通过选择合适的定位基准、安排合理的加工工序使加工过程简化，尽量多的使用了通用夹具及刀具保证零件的加工精度，缩短了零件的加工周期。
在企业实际加工时，选择Ф105钛合金TC2棒料作为毛坯，采用车床三爪卡首轮进行装夹，粗加工后，为避免夹伤工件及准确定心夹紧，采用护圈及开口胎进行装夹，车喷嘴端头处外圆及螺纹，粗、精车内轮廓，以内轮廓定位加工外轮廓，采用专用夹具装夹工件，车削加工时采用一夹一顶方式，车削完成后，在普通立铣床上应用分度头铣削四个槽，以此工序后，完成零件全部加工过程。
实际加工中，每批零件要求的数量大约为3～5个，采用小批量生产的模式，可以在3～5天时间内完成加工，平均效率为每天完成一件，在保证各项质量要求的情况下，满足加工周期的要求。
中图分类号：TH162
作者简介：李雅娜（1978-），女，辽宁沈陽人，讲师，硕士，研究方向：数控加工技术;籍贯：辽宁鞍山。