基于难加工材料零件的加工技术分析.docx

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1、1序言为提高航天器在各种深空环境下的使用性能及寿命，航天零件多选择钛合金、高温合金等耐热性能好的材料，此类合金材料加工性能差，属于难加工材料，刀具的选用要求高，加工成本高。针对此类难加工材料的特性，开展难加工材料加工技术及延长刀具寿命的研究，有助于提高航天器配套零件的精度，提高加工效率，同时可以拓展公司市场潜力，创造更大的经济效益。2问题概述矩形系列封接壳体是公司近年来新开发的产品零件，如图1所示，材料以4J29可伐合金、不锈钢为主。由于产品设计结构要求采用玻璃封接技术，因此对此类型封接壳体零件表面、内孔的表面粗糙度提出了更高要求，导致加工难度增加，刀具寿命降低，刀具成本增加，加工效率及合格率

2、低。doodQ9.40.02叵,Il回图1矩形封接壳体示意3问题分析以4J29可伐合金、022Cr17Ni12Mo2不锈钢材料的某型号封接壳体为例分析，封接壳体零件结构类似，都需要加工内腔中的排孔，排孔用于玻璃封接插针，玻璃封接技术要求排孔孔内表面粗糙度值的=0.8m.在玻璃封接工序多次产生不合格品，成品率低，经过设计和工艺人员分析，封接壳体排孔孔内表面粗糙度对玻璃封接成品率有重要的影响。排孔孔口毛刺及外形、内腔沟槽加工产生的毛刺不易去除，同样影响零件的封接效果。3.1 影响零件孔内壁质量的原因分析生产线上采用的原排孔加工工艺为钻孔T扩孔，由于4J29可伐合金材料塑性好，因此加工时容易粘刀；由

3、于不锈钢材料(022Crl7Ni12Mo2)高温硬度高，散热差，与其他金属材料的亲和性强，因此导致钻头磨损快，主要表现在以下方面。钻头主切削刃磨损过快，甚至出现崩刃。难加工材料钻孔加工时，温度高，切削变形和冷硬现象严重，易粘刀产生积屑瘤，导致同一零件不同内孔表面粗糙度不一致，加工过程中钻头磨损状况无法检测，不可控。尝试通过采用更适合加工难加工材料的铝钻类硬质合金钻头(YG、YT和YW)提高内孔表面质量及加工效率,研究对比YG、YT和YW这3类硬质合金刀具加工时的刀具磨损原理，发现低速切削时YG类刀具仍以粘结磨损为主，但YT类刀具在粘结磨损的同时，伴随产生一定的氧化磨损和扩散磨损；YW类刀具则是

4、3种磨损机理占据同等地位，因此在低速切削时可优先选用YG类硬质合金钻头，高速切削时可选用YW类或YG类硬质合金钻头。根据此磨损原理选择合适的钻头加工排孔后，内孔表面质量有所提高，但由于小直径铝钻类硬质合金钻头价格高，所以导致刀具成本增加，大批量生产加工效益不高。3.2 影晌零件外形及内腔表面质量的原因分析加工4J29可伐合金材料、不锈钢材料(022Cr17Ni12Mo2)时采用普通晶粒尺寸的硬质合金刀具加工，铳刀底刃和侧刃磨损较快，刀具寿命短，导致切削速度只能在低于50mmin的范围选取，加工效率低。与加工铝基合金相比，铳刀使用寿命仅为加工铝基合金时的1/5;与加工314不锈钢相比，铳刀使用寿

5、命仅为加工314不锈钢时的130切削此类难加工材料过程中，容易在切削区域产生大量的切削热，严重损害加工零件的尺寸精度与使用性能，切削热的耗散只能借助切削液及内冷刀具传导。针对此类型结构的封接壳体，由于内孔及内腔尺寸小，因此多采用小直径刀具或定型刀具，大量的切削热难以迅速耗散，刀具磨损过快，导致零件表面粗糙度值升高过快，达不到技术要求，即判定为不合格。排孔间距小，孔口倒角过大会破坏相邻孔径尺寸；倒角太小，毛刺仍存在翻边现象，影响封接质量。4解决问题4.1 孔内壁质量提升改进针对封接壳体内孔表面粗糙度不一致的问题，需要改进加工方法，选用合适的刀具。通过试切加工，排孔加工工艺首先改为钻孔T扩孔一精铳

6、内孔，内孔表面质量明显提高，但是排孔数量多，采用小直径铳刀精铳内孔时，刀具仍然磨损快，且产生缠屑和让刀现象，加工效率仍不高，刀具成本增加。其次改为钻孔T扩孔T精镶孔，内孔表面粗糙度达到要求,单孔加工效率提高，但小直径整体控刀需定制，刀具费用高，镶刀寿命短，无法满足多排孔锋削。通过借鉴定直径孔钱削技术，较孔加工的孔径一般为3100mm。由于较刀的切削刃长，较削时各切削刃同时参与切削，因此生产效率高，在孔的精加工中应用广泛，最终加工工艺确定为钻孔T扩孔T钱孔。因为小直径孔(1.8mm较刀计算加工时的主轴转速”和进给速度-其中取=7mmin=0.06mmro因为切削速度=P71000(。为刀具直径，

7、刀为主轴转速)，所以主轴转速n=1000(Z?)=10007(3.141.8)1238(r/min)。由此可计算出进给速度i4=7=0.06123874(mm/min)。根据计算结果实际加工切削参数选定为二(12001300X/min=(7080)mm/min,采用钻孔一扩孔T钱孔加工工艺，由于封接壳体排孔孔距紧凑，孔直径小，因此较孔前的余量控制为0.05mm,最终实际加工的效果如图3所示。当*1.83mm较刀钱孔数量超过IooO个时，内孔表面粗糙度值Ra仍能达到0.8m,满足工艺要求，同时也提高了加工效率。图3排孔加工效果4.2 表面加工质量及刀具寿命提升改进为提高高温合金、钛合金及不锈钢等

8、高温硬度高、散热差的材料的加工效率及刀具的使用寿命，往往采用进口硬质合金刀具进行粗、精加工，刀具使用成本非常高。对比分析不同的刀具材料在高速切削钛合金时的磨损差异，包括未涂层硬质合金、TiAINPVD涂层硬质合金以及PCBN等，发现PCBN刀具材料在高切削速度、低进给量及低背吃刀量下切削钛合金时，可以获得较平稳的切削力和较低的加工表面粗糙度值网，通过应用高速铳削的原理，采用国产PCBN刀具，在粗加工时使用较高切削速度、小进给量的加工方法提高刀具的使用寿命。通过多次试切及验证，分析得出高速切削难加工材料时，每齿进给量与背吃刀量为间的交互作用，在相对较高的置信概率内对表面粗糙度具有显著性影响。该现

9、象表明，每齿进给量或铳削深度对表面粗糙度的影响规律与铳削深度、每齿进给量的选择密切相关。而与之相对的中、低速切削条件下，各切削用量之间的交互作用却并不明显，或者不存在交互作用。这就意味着在某一特定切削条件下，单纯考查每齿进给量或背吃刀量对表面粗糙度的单因素影响规律，不能准确地预报加工表面粗糙度值。因此，为获得理想的表面粗糙度，在确定每齿进给量时，需结合背吃刀量进行选择，反之亦然。选择4刃国产整体硬质合金铳刀进行外形和内腔的高速粗加工，由于采用的是小背吃刀量永和小切削厚度&,因此能有效保护刀具的底刃和侧刃，加工时产生的切削热能迅速传导，降低刀尖产生积屑瘤的概率，相应地提高铳削速度K和每齿进给量不

10、但保证了加工质量，而且加工效率还有所提升。测算粗铳刀的加工使用磨损时间，只需切断有效使用的磨损部分，刀具剩余部分开刃后仍能满足再次粗加工需求，极大提高了刀具的使用率，降低了刀具成本。针对难加工材料产生的毛刺，由于手工去除很难满足现有的技术要求，因此采用数控加工，选择TiC涂层高速钢材料倒角铳刀加工，通过粗铳提高质量后，壳体零件在精铳时产生的毛刺相对较小，倒角铳刀只需按照零件轮廓轨迹进行加工，保证锐边圆滑过渡。对于封接壳体排孔孔口翻边毛刺，采用倒角铳刀铳孔口倒角一钱刀再次精较孔的加工方式，保证孔口无毛刺粘结。改进前后刀具切削参数见表1,壳体加工效果如图4、图5所示。表1改进前后刀具切削参数项目1

11、2mm粗铳刀转速/(rmin)6mm粗铳刀转速/(min),12mm粗铳刀进给速度/(mnmin)6mm粗铳刀进给速度/(mmnin)单件用时/min改进前90012008010020改进后30400040050016图44J29可伐合金壳体加工效果图5不锈钢材料(022Crl7Ni12Mo2)壳体加工效果5难加工材料较削技术的推广应用某型号推杆零件(见图6)材料为00Cr17Ni14Mo2不锈钢，属于难加工材料，加工外圆上啰mm通孔，深度15mm,要求表面粗糙度值=1.6m0原工艺为：钳工钻孔T抛光孔壁，由于材料为不锈钢，钳工工序利用钻模钻孔，钻头磨损快，孔的位置度超差，抛光内孔效率低，因此

12、改进工艺为：车工钻孔一键孔。由于车工工序需采用专用工装装夹推杆零件，而专用工装尺寸偏大，不易安装，因此实际加工虽保证了表面粗糙度值&a=1.6m的要求，但是加工效率并未提高，00Cr17Ni14Mo2不锈钢导致链刀磨损快，刀具成本高。,r327OO55OO5.40025. 一. ca33O o O O4图6推杆二维示意利用较削小径孔取得的经验，采用加工中心钻孔T扩孔T较孔的加工工艺,解决夕5mm通孔加工效率低、表面粗糙度值=1.6m难以保证的难题，实施过程如下。选取参考值：切削速度K=(612)mmin,进给量f=(0.15-0.2)mmr0选用啰mm较刀计算加工时的刀具转速和进给量取=7mm

13、in=0.18mmro因为切削速度=P71000(。为刀具直径，n为主轴转速)，所以主轴转速n=1000()=10007(3.145)445(r/min),进给量=fn=0.1844580(mm/min)。根据计算结果，实际加工切削参数选定为：主轴转速=(450500)rmin,=(80-90)mm/min,较孔前的余量控制为0.1mm,最终实际加工后的实物如图7所示。0.02mm较刀(见图8)较孔数量超过500个时，内孔表面粗糙度值Rd仍能达到16m,满足工艺要求，同时也提高了加工效率。制作的定位工装(见图9)结构简单，易装夹。图7推杆加工后实物图86.02mm较刀图9推杆加工定位工装效果6

14、取得的效果通过此次攻关，积累了难加工材料加工技术经验，后续研发高温合金、钛合金等难加工材料零件，同样可以借鉴钱削技术加工，取得了很好的效果，如采用。2.12mm较刀，完成高温合金材料、直径2.1产mm、深度超过40mm的深孔较削。较孔加工技术不仅节约了刀具成本，而且提高了加工效率。改进前后零件加工效果对比见表2表4。表2改进前后矩形封接壳体孔加工项目零件数量/件单孔用时min合格率（%）改进前（未采用校孔）100O390改进后（采用校孔）1000299表3改进前后推杆孔加工项目零件数量/件单件用时min合格率（%）改进前（未采用较孔）500692改进后（采用校孔）500499表4改进前后刀具费用改进前项目M.5mm铁刀4mm镇刀进口,12mm铳刀j116nm铳刀改进前价格/元105160650369改进后项目1.75mm校刀5mm校刀国产12mm铳刀国产，6mm铳刀改进后价格/元3040325135刀具节约成本/元75120325234由表2表4可以得出，使用改进后的加工方法提高了加工质量，零件合格率提高到99%,生产效率提高33%,刀具成本大幅降低。7结束语航天领域不断涌现出的