航空部件制造中的棱边仿形切削加工

国际金属加工网 2017年02月09日

制造商采用车削铣削钻孔操作来加工工件的外型。然而,这些工艺可会使工件的外型边缘产生毛刺和不合要求的锐边。这些棱边特征可能会导致材料在使用中发生断裂,使其结构受到削弱,并且可能对操作人员形成威胁。这些后果也就是许多最终用户拒收来自供应商的零部件的因素。
 
    棱边仿形切削加工(MEP)是一种可替代手工去毛刺的方法,它使用加工部件外型所用的原设备,利用专门设计的刀具消除不合格的棱边特征。

MEP 工艺是通过本机的CAM 系统对最终的棱边特征进行准确界定并编程的,从而最大程度提高可重复性。由于不必将工件从机床上拆下并重新夹持固定,工件生产的总时间得以缩短;并且消除了多个步骤形成的公差累积和其他不一致性。

 为了顺应这一趋势,切削刀具制造商们目前正在继续开发新型高效刀具,以增强MEP 工艺的优势。

 MEP 的主要潜在应用对象
 
考虑到对部件精度和一致性的严格要求,喷气飞机组件是MEP 的主要潜在应用对象。

 例如,飞机涡轮发动机部件分为非旋转部件和旋转部件。对于非旋转发动机部件的MEP,如凸轮和壳体,棱边仿形切削,通常包含标准修边倒角刀具,在加工部件的原设备上进行。

 对于叶片、压缩机叶盘等关键旋转部件,航空公司有更高的标准,必须彻底消除表面的瑕疵。棱边特征通常必须经过实验室审批和认证。为了去除这些部件上的毛刺刀具制造商已经开发出高精度且完全可重复的定制MEP刀具。

 MEP 刀具开发

 标准的去除毛刺和仿形加工刀具,例如在非旋转零件上采用的刀具,包括具有45°和60°切削刃的镀层硬质合金倒角立铣刀,以及使用可转位刀片来产生45°和60°倒角的刀具。

 对于极其严格的应用,刀具制造商提供定制的刀具, 专门用于在孔入口处或出口处对边缘进行仿形加工并去除毛刺。有些刀具将这些功能集于一身,能够同时去除入口处和出口处的毛刺。

 这些定制的刀具通常具有复杂的切削槽型。最巧妙之处在于刀具采用特殊的切削刃设计,可以加工出理想的圆弧过渡倒角,这是由于刀具具有导入角和导出角,可以避免再次形成毛刺。
 专用刀具的开发并非只局限于切削刃。研究表明,在对零件顶面上的孔入口处的毛刺和边缘进行仿形加工时, 右切和右旋这种组合最为有效,因为它能够去除零件上的切屑。另一方面,在对零件底面上的孔出口处的毛刺进行仿形加工时,右切和左旋这种组合的效果最好,同样是因为这种配置可以去除零件上的切屑。

 其他的应用分析表明,与用于去除通孔底部或出口端毛刺的刀具相比,用于去除孔顶部或入口端毛刺的MEP 刀具具有更长的刀具寿命。这是因为,后者只需要从孔的一端进行加工,而前者需要伸入到整个零件中并直达另一端的孔出口处,因此长径比过大。一般来说,长径比大的刀具刚性不够好,更容易振动,加工过程中可能会导致硬质合金刀具崩刃或断裂。因此,大多数加工车间选择使用单独的刀具来去除孔入口处和出口处边缘的毛刺,而不是使用一个能同时胜任这两种任务的刀具。

 此外,长径比大的刀具还需要谨慎地选择切削参数。又短又结实的刀具可以使用更高的切削参数,不会出现振动或其他问题。零件的几何形状和特征也会影响刀具的性能。当切削工况比较稳定并能够平稳、不间断地切削时, 可以采用更高的切削参数。另一方面,如果零件存在任何会中断MEP 切削路径的特征(例如检修孔),则必须使用更加稳健的参数,以便最大限度地减小刀具磨损,并防止刀具过早失效。

 在不断开发MEP 刀具的过程中,可以考虑开发一些既能够加工零件的其他特征,也能够去除毛刺的刀具。例如,MEP 切削刃应当位于立铣刀的顶部,以便在加工孔的同时去除入口处边缘的毛刺。

 材料方面的挑战

 许多航空航天材料很难去除毛刺和对锐边进行倒角, 因此带来了额外的加工挑战。例如,发动机部件中使用的镍基合金韧性好且导热性差。因此,切削刀具就会吸收切削工艺所产生的热量,导致刀具快速磨损。

 有鉴于此,当确定刀具的硬质合金材质和槽型时, 刀具制造商就不得不在刃口锋利度和刃口强度之间取得平衡。硬质合金基体材料需具有非常强的耐热和耐磨特性, 但抗冲击能力就会变差,因为那时为了提高韧性而在基体中加入了钴或其他合金材料。同样,与进行了刃口研磨或圆角处理的切削刃相比,锋利的切削刃更容易崩刃。同时刀具制造商会优化刀具前角和螺旋角以及刀具镀层,以便在加工特定的工件材料时达到最佳效果。

 刀具的尺寸

 为了加工出较大的孔径和边缘,刀具制造商可以设计任何尺寸的刀具,而供应商也能够为其提供足够大的毛坯。然而,刀具的尺寸不能无限变小。目前可以精磨出的最小刀具半径大约为0.2mm,并具有相应的更小的导入角和导出角。

 定制的MEP 刀具具有特定的半径、倒角、角度,以及这些特征的组合。这些刀具通常可以用于方肩铣削。然而,当工件的轮廓不允许使用方肩铣削MEP 刀具时,也可以使用球头和棒棒糖型刀具来仿形加工出工件的特征。这些刀具运用在五轴机床上,可以加工复杂零件的轮廓线, 并沿着长轮廓边缘生成圆弧表面。

 MEP 的实际应用
 
为了最大限度提高加工的精度和一致性,并节省在机床之间搬运零件的时间,制造商通常在实际加工零件特征时应用MEP 技术。

 通常来说,去除毛刺是零件的最后一道加工工序。CAM程序会引导MEP 刀具依次去除所有孔和锐边的毛刺。有些MEP 刀具可去除多种孔的毛刺,有些仿形加工刀具可运用在三或四个不同的特征上,例如孔的底部以及凹坑轮廓的底部。

 为了确保在正确的位置按合适的加工量进行倒角仿形加工,必须在开始进行MEP 加工之前定义或测量所加工的孔或特征。当零件公差非常严格,而且精确定义了零件表面的位置时,可能不需要进行在线测量。但在公差比较大时,则需要在初步加工之后进行在线测量,以确定要仿形加工的边缘或特征的位置。

 此外,还必须测量刀具本身并进行正确定位,以确保它能够正确地对零件边缘进行仿形加工。由于刀具的刀尖圆弧半径非常小,无法测量,为了方便使用,CAM 程序中指定了刀具长度。操作员可以使用预校正器在远离机床的位置确认刀具长度,也可以在机床上利用激光或接触式探针来确认刀具的长度。进给量根据零件特征和刀具的测量尺寸计算得出。大多数刀具制造商会提供精确的定制MEP 刀具检测报告,包括跳动量在内,刀具轮廓度公差通常为40 微米。

 毛刺去除或倒角加工是一种精加工,其主要目的是提高品质。生产率始终是重要的,但在加工昂贵的航空航天部件时应特别小心,盲目提高刀具的生产率可能会适得其反,损失惨重。一致性、可靠性以及避免生产报废件的重要性不言而喻。

 如今,当零件具有不符合要求的锐边和毛刺时,很多时候会被人们视为昂贵的报废件。制造商需要一种加工一致性好、可记录的,且具有成本优势的方法来去除零件的毛刺,并对零件边缘进行仿形加工。刀具仿形加工(MEP) 满足了这一需求,因为它取代了人工操作,而人工操作的弊端在于,无论由多么熟练的技师来操作,都难以保持零件之间的一致性,且人工、工装和零件搬运成本居高不下。由于无法记录和认证,某些最终用户现已禁止使用人工去除毛刺的方法。

 最高效且最具成本效益的MEP 是工程开发和专业应用技术的结晶。通过提供这样的整体解决方案,刀具制造商可以帮助简化制造工艺,并将质量和生产率提升到新的水平。

 MEP 的实际运用

 ◆ 303 不锈钢

 一家制造商使用一台双主轴机床来生产303 不锈钢零件。随着零件数量和批次规模不断增大,该制造商需要提高生产率。然而,加工过程非常不平衡,而且耗时较多——90% 的加工在机床主轴上完成,机加工之后, 还需要人工去除零件底部的毛刺(这需要额外的工装设备)。在机床的副轴中采用定制的硬质合金MEP 刀具之后,该制造商可以同时在零件法兰螺栓孔的两侧进行仿形加工。这样,不仅两个轴之间的加工时间趋于平衡, 加工周期也得以大幅缩短。不仅如此,使用MEP 刀具之后,不再需要人工去除毛刺和额外的工装设备,节省了大量时间。

 ◆半径与倒角

 在一个案例中,需要考虑选择对边缘进行倒角处理(平边),还是进行倒圆处理(圆边)。有些零件对于边缘倒角并没有刻意的要求。然而,一家制造商发现, 当采用倒圆加工方法时,零件的寿命比采用倒角加工方法的零件长三倍。在选择加工方法时,一个看似微不足道的差异却显著提高了零件的质量。

 ◆ TiAl-4V

有一家航空航天制造商一直使用一个固定在凸轮刀柄中的硬质合金成型刀具来加工TiAl-4V 叶盘。发现在叶盘和槽圆弧的周围,随机地出现精加工表面质量问题, 而且问题的严重程度和出现的频率也时刻变化。该制造商后来采用了一个直径为10 mm 的棒棒糖型10 齿中心切削镀层硬质合金铣刀(30°右旋)。此刀具不但消除了粗糙的表面问题,而且还能在更短的时间内完成对叶盘两侧的精加工。


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