仿形车刀在航空零件中的解决方案

国际金属加工网 2017年02月10日

制造商采用车削铣削钻削工艺对工件进行加工。然而,这些工艺也可能在工 件边缘处产生毛刺和危险的锐边。当使用这种零件时,这些边缘可能导致材料断裂,导致零件的结构强度下降,并可能因为这些尖锐的棱边危及搬运零件的工作人员。正是因为这些负面因素的存在,很多最终用户拒收供应商提供的带有毛刺或锐边的零件。

制造商通常使用手动磨床和其他人工工艺来去除毛刺和锐边。此类方法不仅速度慢,而且还需要将零件从机床中取出,然后重新固定至其他设备以去除毛刺或进行倒角。不仅如此,即便由熟练的技师亲自执行这些操作,也难以让所有零件的倒角保持必要的加工一致性。

切削仿形加工 是人工去除毛刺的一种高效替代方法。采用定制刀具及在同一台设备上进行机加工,实现快速高效的倒角加工及毛刺去除。它允许通过机床的 CAM 系统精确定义和编程,以实现最终的倒角或毛刺要求,倒角特征具有高度的一致性。由于不需要将零件从机床中取出并重新固定,因此缩短了总体零件生产时间,并消除了工装之间的公差叠加和其他的误差。为了顺应这一趋势,当今的切削刀具制造商正致力于开发可提升加工性能的新型高效刀具。

鉴于航空航天工业对零件精度和一致性的要求越来越严格,喷气式飞机的零件将是 工艺的主要适用对象。

例如,飞机的汽轮机发动机零件通常分为两种类型:旋转零件和非旋转零件。对飞机引擎鼓、机匣等非旋转零件应用刀具 时,倒角仿形加工通常包括标准倒角和R倒角刀具,在加工零件的同一台机床上就可以实现所有的倒角加工。

对于叶片、压缩机叶盘等至关重要的旋转零件,最终用户有更高的标准,并要求彻底消除表面瑕疵。零件倒角和毛刺要求通常必须经过实验室审批和认证程序。为了去除这些零件的毛刺,刀具制造商已经开发出高精度且重复精度高的定制刀具。

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。

刀具制造商可以定制刀具,专门用于在关键零件的孔入口处或出口处对边缘进行仿形加工并去除毛刺

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。长径比大的刀具一般来说刚性不够好,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,以便最大限度减小刀具磨损并防止刀具过早失效。

在不断开发刀具的过程中,可以考虑开发一些既能够加工零件的其它特征,也能够去除毛刺的刀具。例如,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

就加工特性而言,很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。

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,那时因为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 0.2 mm,并具有相应的更小导入角和导出角。

定制的刀具具有特定的半径、倒角、角度,这些特征进行优化组合。这些刀具通常可以用于方肩铣削。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。

为了最大限度提高加工精度和一致性,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技术。

通常,去除毛刺是零件的最后一道加工工序。CAM 程序会引导  刀具依次去除所有孔和锐边的毛刺。有些刀具可去除多种孔的毛刺,有些仿形加工刀具可运用在三四个不同的位置或特征上,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。但在公差比较宽松时,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,但在加工价值数十万欧元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事得其反,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。


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