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每一次平穩到達: 破解鈦合金加工難題 研發起落架制造新工藝

2017/9/11 8:18:45點擊:
起飛、著陸、滑行……起落架裝置作為唯一一種支撐整架飛機的部件,其技術水平和可靠度直接關系到飛機的整體性能和使用安全。我國唯一的飛機起落架專業制造商是中航飛機起落架公司(簡稱“中航起落架”),它擁有國家級飛機起落架工程技術中心,主要從事軍民用飛機起落架系統、飛行器著陸裝置及液壓附件的研發制造,國際民用飛機起落架及附件的轉包生產和飛機起落架的修理等。歷經50余年創新發展,公司建立起了能滿足現代飛機起落架研制和批生產的生產線,具有國內最強的飛機起落架制造能力和國內先進水平的液壓技術優勢,還擁有符合國軍標,波音公司、梅西埃-道蒂公司工藝標準和俄羅斯航空標準的飛機起落架制造工藝和研制生產設施。日益強大的實力讓其頗受矚目。
  起落架裝置是飛行器重要的具有承力兼操縱性的部件,它吸收和耗散飛機在著陸及滑行過程中與地面形成的沖擊能量。隨著航空技術的不斷發展和客戶需求的不斷提高,起落架產品也不斷升級換代。為滿足飛機長壽命、高可靠性的要求,越來越多的新標準、新工藝、新材料被應用;其中,鈦合金憑借優異的綜合力學性能、密度小、抗腐蝕性強等特點,成為起落架的理想制造材料。但同時,合金的硬度高、耐磨性高等特點也給加工帶來了極大的挑戰,尤其是切削刀具,因鈦合金的切削性能差而導致刀具磨損快等加工難題頻繁出現,嚴重影響了加工精度和效率。作為行業領軍企業的中航起落架公司也曾被這個難題深深困擾。
  面對挑戰
  鈦合金的加工究竟難在哪里?我們可以根據兩張圖表作出總結:一,鈦合金的彈性模數低,約為鋼的1/2,對于去除后的表面易反彈,易與刀具后刀面間產生強烈摩擦;二,塑性低、硬度高,切屑與前刀面接觸面積小,刀尖切削應力大,刀尖和切削刃極易磨損,通常切削速度為30m/min 左右;三,化學活性大,在高溫狀態時,鈦和空氣中的大部分成分產生強烈的化學反應,特別是與氧氣和氮氣,產生間隙固溶體,生成硬度很高的硬質層,對刀具有強烈的磨損作用;四,親和性大,由于切屑與刀面之間的強烈摩擦,在高的切削溫度及高的切削壓力的作用下,刀具材料和工件材料中的鈦元素相互親和,產生咬合、粘刀,刀具易產生粘結磨損。
  具體舉例:某新研型號起落架為串聯式結構,其主要承力構件材料均采用了TC18鈦合金材料,單機數量18件,零件結構復雜,數量多,材料去除量大,且毛坯加工余量分布不均勻,欠壓部位多,毛坯表面存在α+β相層,在鍛打過程中位錯強化,表面硬度高(HRC﹥55),厚度為0.1-0.15mm,研制初期單件加工周期在410h左右,加工效率低下。而近年來,隨著該型號轉入小批生產,交付數量增多,交付周期縮短,如何在現有設備、人員不變的情況下,縮短交付周期,提升交付進度,降低生產成本,更是公司急需解決的難題。
  面對難題和挑戰,公司的技術專家們迅速展開行動。經過研究分析,我們發現,TC18是一種高強度、高合金化的α-β兩相合金,這種材料強度高、韌性和塑性好、導熱系數和彈性模量小,這對加工刀片的材質要求很高;加工TC18 還要求刀具前角較大,刃口鋒利,但是鋒利的刃口強度差,而產品表面的氧化層加大了刃口崩刃的可能。如何讓刀片刃口既保持鋒利又不失強度,這對刀片刃口處理是極大的考驗。因此,如何合理優化刀具的材質,改進鈦合金切削參數,是提高加工效率的決定性因素。結論已經很明顯了——要想破解難題,關鍵要對切削參數和刀具特性做出權衡,并找到最合適的加工刀具。
  努力找尋
  為此,中航起落架的技術專家通過試切加工摸索切削參數、反復探索,最終總結出刀具選擇的原則必須依據下列條件:
  1)刀具的材料(依據被加工材料、加工應用類型、加工環境和現場加工的需求)。
  2)幾何形狀(分為刀桿幾何形狀和刃口幾何形狀,主要影響表面質量, 排屑效果,刃口強度, 毛刺, 振紋等)。
  3)涂層(延長刀具壽命,提高刀具的切削速度和進給,獲得更高的生產效率,提高刀具的耐磨損性)。
  4)根據現場作業需求,統籌好效率和加工成本,充分考慮現有機床性能的條件下,使用比較保守的切削參數, 可以有效延長的刀具壽命,獲得較為合理的加工效率。
  選擇的原則有了,按說,事情的進展應該一帆風順;不料,事實卻并非如此:結合公司數控設備的現狀,我們最初選用了某知名品牌可轉位硬質合金涂層刀具,并按其推薦的切削參數進行加工。然而,結果卻不盡人意——由于零件來料狀態為模鍛件,表面有熱處理氧化層,且余量分布不均勻,加工時刀片磨損嚴重,加工不到2小時刀具就產生不同程度的磨損及崩刃現象,無法滿足批量生產的加工需求。這種情況的出現,讓難題的破解一時陷入僵局。
  攻克難關
  此后,中航起落架又嘗試過多家品牌刀具商的產品。經過反復試切驗證,最終選用了瓦爾特公司的?63R1.2高進給銑刀(M4002-063-B22-06-02,刀片型號:SDMT120412-F57 WSP45S)和?32R8仿形銑刀(F2231.W.032.Z02.08.L,刀片型號:RDMT1605M0-D57 WSP45S)作為主切削刀具。
  瓦爾特M4002銑刀采用4刃正方形刀片,刀片涂層采用全球獨一無二的瓦爾特Al2O3物理涂層,該涂層工藝中的熱負荷極小,最佳內應力使產生熱裂紋的可能性降到最低,從而使切削材質的韌性達到最高,而氧化鋁耐高溫涂層可以有效防止熱量傳遞到刀刃中,使刀片具有極佳的耐磨性能;另外,完美平滑的前刀面設計,切削過程中摩擦系數低,可以減少出現積屑瘤的傾向,通過獨特的涂層技術將耐磨性和韌性完美組合,實現高度工藝可靠性;刀體有多種接口設計, 15°主偏角,可以在高進給的前提下,實現切深的最佳匹配。同時,根據不同的工件形狀和不同的加工工藝,M4002可實現面銑、坡銑、螺旋插補銑、插銑等各種走刀方式,尤其是在刀具長懸伸時,可以有效減少振動傾向,滿足高效加工的需求。
  在瓦爾特技術人員全心全力的幫助下,經過大量的轉位刀具切削試驗,我們最終摸索出可轉位刀具加工鈦合金的工藝方法和最優切削參數,并根據零件結構和余量分布制定了相對完整的工藝方案和編程方法。令人頗為震驚的是,相比從前,加工效率提升了40%左右!不僅確保了零件加工質量的可靠性和生產過程的經濟高效性,而且滿足了該型號產品小批生產交付的需求,極大地促進了公司業務的發展。

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