钛合金精度孔加工 实现动部件高效生产
2016-12-29 来源：山高刀具 作者：-
山高刀具助力中航工业昌飞智能制造试点成功
发展通用航空产业，一直是中航工业的既定目标之一。在这其中，直升机以无需场地垂直起降的独特飞行方式，在抢险救灾、护林巡防等领域发挥了重要作用。作为完全依靠巨大的旋翼提供升力及操纵的飞行器，以桨毂为主体的动部件制造被称作“直升机制造皇冠上的明珠”。为了攻克这一难题，解决动部件加工瓶颈并提升产能，中航工业昌飞搭乘“中国制造2025”的顺风车，以智能制造和智慧制造为最终目标，进行了生产布局的调整，兴建了现代化的数控加工中心、复合材料生产线以及现代化的直升机生产线，形成本部和吕蒙两大生产区，为中国直升机产业发展添砖加瓦。
直升机动部件需承担桨叶旋转产生的离心力、操纵力以及各种交变力矩，自身需要过硬的刚性以及良好的装配动平衡性。因此，作为连接各动部件的孔系，需要保证极高的孔径精度（H7及以上）、较好的表面粗糙度（钛合金一般需要达到Ra1.6），以及相对较高的位置精度（见图1）。因此，孔系的精加工一般作为动部件加工的最后一道工序，由精密机床配合高性能刀具来完成。在孔系的精加工中如稍有不慎就会导致零件超差报废，前功尽弃，功亏一篑。
图1 动部件精度孔的加工需保证严格的孔径和表面粗糙度
高效刀具解决方案缔造卓越品质
受限于钛合金材质，动部件的精度孔无法采用磨削加工。在孔加工中，镗铰为最常见的加工方式，昌飞在动部件精度孔的加工中也大量采用了镗削加工。在现有的生产条件下，昌飞通过不断的实践，总结出了一套钛合金精加工刀具解决方案，实现了动部件的高效生产。
刀具的选择。镗刀是精密孔加工中不可缺少的重要刀具，精密镗孔能够达到很高的尺寸精度和良好的表面粗糙度。目前使用的主流镗头均采用丝杠原理调整刀具直径，结构大同小异，因此镗头在加工过程中反复进退的定位精度十分重要。经过多次实践，昌飞最终选用了山高的A76002镗头，其微调精度（在直径方向上 ）可达2.5µm，径精度最高可以实现 IT5，是用于孔的几何形状和表面粗糙度全面控制的高刚性刀具（可以达到 Ra 0.6）。为了确保刀具的刚度，A76002采用“圆柱和法兰”的刀具夹持设计，可以实现更高的速度、更高的生产率、更高的精度和更好的表面粗糙度。可精密动平衡的A76002允许采用更高的速度，改善孔的几何形状和减小机床主轴的应力。
图2 A76002镗头配合镗杆具有2～20mm的镗削覆盖以及较大的刻度盘
刀片的选择对于钛合金孔加工有着直接影响。优秀的镗削刀片可以在较广的切削参数范围内保持良好的表面粗糙度和圆度，并能有效减少深孔镗削产生的让刀现象。为此，昌飞在试切过程中针对刀片圆角、涂层及不同断屑槽进行对比试验后，结合操作工的使用感受，选择了几款刀片进行工艺优化（见表1）。其中，拥有PVD镀层的CP500在不锈钢精加工和半精加工中具有极佳的韧性。
表1 试切刀片
镗削参数（FS值）。钛合金导热性能较差且材质偏黏，故镗削线速度无法达到钢材或铝合金材质，一般维持在30～35m/min可保证表面粗糙度在Ra1.6以上。测试使用的山高刀片在试验件上均表现出良好的加工精度，带有镀层的CP500系列刀片拥有更好的耐磨性和寿命，而传统的26G6无镀层刀片经济性更好。表2所示为CP500刀片的测试结果。
表2 CP500刀片的测试结果
进刀量的确定。合适的进刀量选择可以更快地将零件加工到位，小直径、大长径比精度孔的加工则需要注意让刀现象的发生，并在稳定镗削参数的前提下摸清刀具变形量及表面粗糙度成型的规律。以某型机连接件为例，双叉耳孔（见图3）要求两孔直径Φ18+0.021、同轴度0.05mm，需要悬长至少92mm的镗刀一次完成连孔加工。山高的A76002镗头（见图4）配合悬长95mm硬质合金镗杆，在粗镗至单侧留量0.2mm左右的前提下，按照0.1mm进给镗刀，让刀量稳定在0.002～0.004之间，操作工可按此规律在3～4次进刀之后将该连孔加工到位，并保证了孔径和表面粗糙度要求。
图3 双叉耳孔
图4 加工双叉耳孔使用的刀具
大直径连孔的加工则需要相对更慢的转速和进给，配合R0.4的刀片完成精加工。图5所示的桨叶配合连孔Φ48+0.027，同轴度0.1mm，空间局182mm，采用山高的46～50mm镗刀仍可在3次进刀后加工到位。若使用三把镗刀按定镗方式加工，效率更高。
图5 连孔数模
效率提升伙伴助力高效生产
作为智能制造的试点单位，“稳产”和“成线”是昌飞动部件制造的第一步，也是打造智能工厂的先决条件。为顺应飞机产品质量和精度越来越高的要求，以及生产节点的进一步压缩，节拍化成为批生产主流。为此，昌飞机加部门不断寻找高效且优质的加工方式。就动部件来说，刀具的正确选用和使用尤为重要，其质量、加工效率经常成为制约零部件加工品质和交货周期的首要因素。
通过不断实践总结，昌飞机加车间针对产品材质范围广的特点，形成了针对不同材料的高效加工解决方案。在昌飞吕蒙机加片区，山高刀具基本覆盖了70%以上的零件的精密孔加工，材质涵盖铝合金、钛合金、不锈钢和淬硬钢等材料。基于深厚的刀具研发及制造实力，山高为昌飞机加提供的各种非标刀具也在各条生产线上大显身手。此外，其每年组织的交流与发布会也给昌飞数控加工带来了先进的切削理念，高效、高质的加工刀具使得数控加工由难变易，加工技术水平逐步得到提升。
图6 山高刀具基本覆盖了其70%以上的零件的精密孔加工。
中航工业昌飞隶属于中国航空工业集团公司，始建于1969年，是我国直升机科研生产基地和航空工业骨干企业，具备研制和批量生产多品种、多系列、多型号直升机和航空零部件的能力。历经数十年的发展，昌飞现已形成军机、民机和国际合作项目协调发展的新格局，产品覆盖1吨级到13吨级直升机型号，并与美国西科斯基公司、波音公司、意大利莱昂纳多公司、中国商飞公司等国内外知名航空企业开展深层次转包合作生产。
山高总部设在瑞典法格斯塔市，致力于开发创新的金属切削解决方案，并与客户密切合作以全面理解和专注于满足他们的需求，因此誉满全球。我们在 50 个国家/地区雇用了 5000 多名员工，并通过培训、发展和员工认同计划以及开放的沟通环境来提升我们团队成员的能力。我们的员工展现了三个核心价值观 – 热忱待客、家庭归属感和个人承诺，它定义了我们的经营之道以及我们与客户、供应商和其他合作伙伴之间的交往方式。如需了解更多信息，请访问 www.secotools.com。
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