瓦尔特:破解钛合金加工难题 研发起落架制造新工艺——为每一次平稳到达

国际金属加工网 2017年08月31日

起飞、着陆、滑行……起落架装置作为唯一一种支撑整架飞机的部件,其技术水平和可靠度直接关系到飞机的整体性能和使用安全。我国唯一的飞机起落架专业制造商是中航飞机起落架公司(简称“中航起落架”),它拥有国家级飞机起落架工程技术中心,主要从事军民用飞机起落架系统、飞行器着陆装置及液压附件的研发制造,国际民用飞机起落架及附件的转包生产和飞机起落架的修理等。历经50余年创新发展,公司建立起了能满足现代飞机起落架研制和批生产的生产线,具有国内最强的飞机起落架制造能力和国内先进水平的液压技术优势,还拥有符合国军标,波音公司、梅西埃-道蒂公司工艺标准和俄罗斯航空标准的飞机起落架制造工艺和研制生产设施。日益强大的实力让其颇受瞩目。

起落架装置是飞行器重要的具有承力兼操纵性的部件,它吸收和耗散飞机在着陆及滑行过程中与地面形成的冲击能量。随着航空技术的不断发展和客户需求的不断提高,起落架产品也不断升级换代。为满足飞机长寿命、高可靠性的要求,越来越多的新标准、新工艺、新材料被应用;其中,钛合金凭借优异的综合力学性能、密度小、抗腐蚀性强等特点,成为起落架的理想制造材料。但同时,钛合金的硬度高、耐磨性高等特点也给加工带来了极大的挑战,尤其是切削刀具,因钛合金的切削性能差而导致刀具磨损快等加工难题频繁出现,严重影响了加工精度和效率。作为行业领军企业的中航起落架公司也曾被这个难题深深困扰。

面对挑战

钛合金的加工究竟难在哪里?我们可以根据两张图表(见表1和表2)作出总结:一,钛合金的弹性模数低,约为钢的1/2,对于去除后的表面易反弹,易与刀具后刀面间产生强烈摩擦;二,塑性低、硬度高,切屑与前刀面接触面积小,刀尖切削应力大,刀尖和切削刃极易磨损,通常切削速度为30m/min 左右;三,化学活性大,在高温状态时,钛和空气中的大部分成分产生强烈的化学反应,特别是与氧气和氮气,产生间隙固溶体,生成硬度很高的硬质层,对刀具有强烈的磨损作用;四,亲和性大,由于切屑与刀面之间的强烈摩擦,在高的切削温度及高的切削压力的作用下,刀具材料和工件材料中的钛元素相互亲和,产生咬合、粘刀,刀具易产生粘结磨损。

表1 钛合金的物理性能

牌号 密度 g/cm3 导热系数 W/(m℃) 线膨胀系数 (20°~100℃)106℃ 弹性模量 GPa
TC6 4.5 8.8 9.2 110
BT3-1 4.5 8.8 9.2 112.8
BT22 4.62 9.21 8.0 112.8
TC18 4.62 9.21 8.0 112.8
45 7.81 48.1 11.59 200

表2 钛合金的机械性能

牌号 室温机械性能 高温性能
σb(MPa) δ5(%) ψ(%) αk(KJ/m2) 温度(℃) σb(MPa) σ100(MPa)
TC6 950-1175 ≥10 ≥25 ≥294 450 588 540
BT3-1 980-1180 ≥10 ≥25 ≥290 450 635 570
BT22 1080-1280 ≥10 ≥25 ≥250 500 635 470
TC18 1080-1280 ≥10 ≥30 ≥250
45 600 13 40 500 374

具体举例:某新研型号起落架为串联式结构,其主要承力构件材料均采用了TC18钛合金材料,单机数量18件,零件结构复杂,数量多,材料去除量大,且毛坯加工余量分布不均匀,欠压部位多(见表3钛合金材料去除量),毛坯表面存在α+β相层,在锻打过程中位错强化,表面硬度高(HRC﹥55),厚度为0.1-0.15mm(如图1),研制初期单件加工周期在410h左右,加工效率低下。而近年来,随着该型号转入小批生产,交付数量增多,交付周期缩短,如何在现有设备、人员不变的情况下,缩短交付周期,提升交付进度,降低生产成本,更是公司急需解决的难题。

表3:零件的材料去除量

零件名称 毛坯重量/kg 产品重量/kg 材料去除量/kg 单机数量
零件1 685 130 555 6
零件2 580 98 482 6
零件3 500 97 403 6

面对难题和挑战,公司的技术专家们迅速展开行动。经过研究分析,我们发现,TC18是一种高强度、高合金化的α-β两相合金,这种材料强度高、韧性和塑性好、导热系数和弹性模量小,这对加工刀片的材质要求很高;加工TC18 还要求刀具前角较大,刃口锋利,但是锋利的刃口强度差,而产品表面的氧化层加大了刃口崩刃的可能。如何让刀片刃口既保持锋利又不失强度,这对刀片刃口处理是极大的考验。因此,如何合理优化刀具的材质,改进钛合金切削参数,是提高加工效率的决定性因素。结论已经很明显了——要想破解难题,关键要对切削参数和刀具特性做出权衡,并找到最合适的加工刀具。

努力找寻

为此,中航起落架的技术专家通过试切加工摸索切削参数、反复探索,最终总结出刀具选择的原则必须依据下列条件:

1)刀具的材料(依据被加工材料、加工应用类型、加工环境和现场加工的需求)。

2)几何形状(分为刀杆几何形状和刃口几何形状,主要影响表面质量, 排屑效果,刃口强度, 毛刺, 振纹等)。

3)涂层(延长刀具寿命,提高刀具的切削速度和进给,获得更高的生产效率,提高刀具的耐磨损性)。

4)根据现场作业需求,统筹好效率和加工成本,充分考虑现有机床性能的条件下,使用比较保守的切削参数, 可以有效延长的刀具寿命,获得较为合理的加工效率。

选择的原则有了,按说,事情的进展应该一帆风顺;不料,事实却并非如此:结合公司数控设备的现状,我们最初选用了某知名品牌可转位硬质合金涂层刀具,并按其推荐的切削参数进行加工。然而,结果却不尽人意——由于零件来料状态为模锻件,表面有热处理氧化层,且余量分布不均匀,加工时刀片磨损严重,加工不到2小时刀具就产生不同程度的磨损及崩刃现象,无法满足批量生产的加工需求。这种情况的出现,让难题的破解一时陷入僵局。

攻克难关

此后,中航起落架又尝试过多家品牌刀具商的产品。经过反复试切验证,最终选用了瓦尔特公司的Ø63R1.2高进给铣刀(M4002-063-B22-06-02,刀片型号:SDMT120412-F57 WSP45S)和Ø32R8仿形铣刀(F2231.W.032.Z02.08.L,刀片型号:RDMT1605M0-D57 WSP45S)作为主切削刀具。

瓦尔特M4002铣刀采用4刃正方形刀片,刀片涂层采用全球独一无二的瓦尔特Al2O3物理涂层,该涂层工艺中的热负荷极小,最佳内应力使产生热裂纹的可能性降到最低,从而使切削材质的韧性达到最高,而氧化铝耐高温涂层可以有效防止热量传递到刀刃中,使刀片具有极佳的耐磨性能;另外,完美平滑的前刀面设计,切削过程中摩擦系数低,可以减少出现积屑瘤的倾向,通过独特的涂层技术将耐磨性和韧性完美组合,实现高度工艺可靠性;刀体有多种接口设计, 15°主偏角,可以在高进给的前提下,实现切深的最佳匹配。同时,根据不同的工件形状和不同的加工工艺,M4002可实现面铣、坡铣、螺旋插补铣、插铣等各种走刀方式,尤其是在刀具长悬伸时,可以有效减少振动倾向,满足高效加工的需求。

在瓦尔特技术人员全心全力的帮助下,经过大量的转位刀具切削试验,我们最终摸索出可转位刀具加工钛合金的工艺方法和最优切削参数(见表4),并根据零件结构和余量分布制定了相对完整的工艺方案和编程方法。令人颇为震惊的是,相比从前,加工效率提升了40%左右!(见表5),不仅确保了零件加工质量的可靠性和生产过程的经济高效性,而且满足了该型号产品小批生产交付的需求,极大地促进了公司业务的发展。

表4:切削参数表

刀具 名称 铣刀 规格 刀具编号 切削参数 齿数 切削 时间 刀片 材质
仿形 铣刀 Ø32R8 F2231.W.032.Z02.08.L 切深ap=1.5mm 进给f=250mm/min 切宽ae=15~20mm 转速s=1000r/min 2齿 3~4h WSP45S
RDMT1605M0-D57 WSP45S
高进给 铣刀 Ø63R1.2 M4002-063-B22-06-02 切深ap=1.5mm 进给f=500~750mm/min 切宽ae=30-40mm 转速S=150~250r/min 6齿 4~8h WSP45S
SDMT120412-F57 WSP45S

表5:加工效率对照表

零件名称 材料去除量/kg 改进前 改进后 效率提升
零件1 555 27×16h=432h 17×16h=272h 37%
零件2 482 24×16h=384h 14×16h=224h 41.6%
零件3 403 25×16h=400h 15×16h=240h 40%

“实践证明,大进给铣削刀具是钛合金铣削加工的利器,而此次在铣削刀具上选择瓦尔特公司的产品是一种既正确又比较经济的选择!”中航起落架公司的技术专家们一致如是认为,“我们希望能与具有强大技术、工艺实力的设备供应商进行深入合作,瓦尔特是其中优秀的一员。为了每一次的平安起飞和降落,我们携手同行。

零件局部毛坯

切削参数对刀具寿命的影响

现场零件加工及刀具使用局部图

刀片使用对比图

 

(文/李运龙,中航飞机股份有限公司长沙起落架分公司)

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