TC4鈦合金引信天線零件精密加工研究

楊翰林， 黃 信， 陳 路

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

鈦金TC4有高強(qiáng)度比，耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)導(dǎo)彈的性能提高有著極其重大的作用。鈦合金材料從設(shè)計(jì)使用角度上具有顯著的優(yōu)越性，而從機(jī)械加工角度講，屬于難切削材料，加工難度較大，尤其是應(yīng)用于引信天線的細(xì)長(zhǎng)薄型板材結(jié)構(gòu)件的加工。同時(shí)，零件上分布有四五十個(gè)微小波導(dǎo)縫隙，尺寸精度達(dá)±0．01 mm，也為零件的數(shù)控加工帶來極大挑戰(zhàn)，其加工制造難度也成倍提高。

雖然目前先進(jìn)的數(shù)控加工設(shè)備可以達(dá)到很高的剛度和精確的運(yùn)動(dòng)控制，但該類零件在加工過程中存在殘余應(yīng)力、裝夾力、切削力、切削熱等因素作用，零件極易發(fā)生加工變形和切削振動(dòng)，導(dǎo)致加工誤差，從而難以保證零件的加工精度和表面質(zhì)量，嚴(yán)重情況下造成零件報(bào)廢。因而，在保證加工效率的同時(shí)，如何采用有效措施控制或減少加工變形，保證加工質(zhì)量是一個(gè)亟待解決的問題。

針對(duì)TC4鈦合金引信天線銑削加工變形產(chǎn)生的主要原因，通過理論研究和多年的實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，以切削力為研究對(duì)象，分析切削參數(shù)和切削力之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過CAM軟件對(duì)切削刀路進(jìn)行優(yōu)化分析。這些理論和方法對(duì)于TC4鈦合金引信天線的高效精密數(shù)控銑削具有一定的指導(dǎo)意義［1，2］。

1 加工材料、設(shè)備及刀具

加工采用的是 TC4（Ti－6Al－4V）鈦合金，這是目前鈦合金中用量最大且性能數(shù)據(jù)最為齊全的一種鈦合金。其合金元素主要為Al和V，Al為α穩(wěn)定化元素，V具有β穩(wěn)定化作用，這兩種元素都有著顯著的固溶強(qiáng)化作用，在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)，能保證良好的塑性和熱穩(wěn)定性。TC4鈦合金具有良好的力學(xué)性能和工藝性能（包括熱變形性、焊接性、切削加工性和抗蝕性）。正是由于鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、高溫強(qiáng)度高、化學(xué)活性大、熱導(dǎo)率低、彈性模量低等材料特性，給鈦合金銑削造成了很大的困難，使鈦合金成為典型的難加工材料。TC4鈦合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示［3，4］。

表1 TC4化學(xué)成分和力學(xué)性能

引信天線中接收引信上部和發(fā)射引信上部其結(jié)構(gòu)極其容易變形，零件長(zhǎng)達(dá)大于300 mm，內(nèi)部有四五十個(gè)精度達(dá)±0．01裂縫。彎波導(dǎo)零件為雙面斜坡的零件。斜面精度要求±0．02。這給零件加工帶來極大的挑戰(zhàn)。組件圖和零件尺寸如圖1所示。

圖1 引信天線組件和尺寸

為了滿足零件要求，選擇的加工設(shè)備是哈默C800進(jìn)口五軸加工中心，標(biāo)稱轉(zhuǎn)速10 000 rpm，伺服系統(tǒng)精度等級(jí)0．008 mm，如圖2所示。

圖2 哈默C800

選擇專門針對(duì)不銹鋼、耐熱合金和鈦合金等難切削材料，具有不等螺旋角，提高刀具的抗振性，有效地延緩了刀具的崩刃。圖3為0．4 mm的刀具。

圖3 0．4 mm銑刀

2 切削參數(shù)優(yōu)化

2．1 切削力試驗(yàn)方案

加工設(shè)備：哈默C800五坐標(biāo)加工中心。

測(cè)量?jī)x器：Kistler－9 255B壓電測(cè)力儀。

刀具：0．4 mm三齒圓柱立銑刀。

銑削方式：順銑。

試驗(yàn)安排：采用四因子四水平正交試驗(yàn)方法見表2。

表2 四因子四水平正交試驗(yàn)

對(duì)TC4切削時(shí)，影響銑削力大小的因素進(jìn)行比較分析，并建立切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。圖中，ap為軸向切深、n為主軸轉(zhuǎn)速、f為進(jìn)給量、ae為徑向切深。

2．2 切削力經(jīng)驗(yàn)公式

在機(jī)床特征和刀具幾何參數(shù)確定的前提下，根據(jù)金屬切削原理，切削力與切削參數(shù)之間存在復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系，應(yīng)用多因素正交回歸試驗(yàn)建立切削力和切削參數(shù)之間的通用形式為

式中：CF為決定于加工材料、切削條件的系數(shù)；b1、b2、b3、b4分別 為 指 數(shù)。式 （1）兩 邊 分 別 取 對(duì)數(shù)得

利用MATLAB對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析，利用最小二乘法得到三向切削力最大值Fxmax、Fymax、Fzmax與軸向切削深度ap、主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量f、徑向切深ae之間的線性回歸模型：

利用MATLAB對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性逐步回歸分析。對(duì)于Fxmax軸向切深的影響最為顯著，而徑向切深的影響不顯著。對(duì)于Fymax四個(gè)切削參數(shù)的影響均顯著，其中徑向切深和軸向切深的影響比其他兩個(gè)因素顯著。對(duì)于Fzmax軸向切深影響顯著，其他三個(gè)切削參數(shù)影響不顯著，得出切削力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

本文建立的切削力模型的切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與切削力經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)果吻合較好，為TC4鈦合金小直徑刀具的切削參數(shù)優(yōu)化提供了可靠的理論基礎(chǔ)。通過切削力模型優(yōu)化和實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)選擇最優(yōu)的切削參數(shù)：軸向切削深度ap為0．1 mm，主軸轉(zhuǎn)速n為1 700 r／min、進(jìn)給量f為80 mm／min、徑向切深ae為0．28 mm［5］。

2．3 加工驗(yàn)證

薄板零件加工的效率和工件變形很大程度上取決于加工的走刀策略。走刀路徑不同導(dǎo)致工件內(nèi)原有殘余應(yīng)力釋放順序不同，同時(shí)由于切削力和切削熱作用，產(chǎn)生新的應(yīng)力，走刀路徑不同，新的應(yīng)力與毛坯中原有殘余應(yīng)力的藕合順序和藕合效果也不同，從而造成工件不同程度的變形。

在引信天線接收上部縫隙的加工中，由于刀具直徑小，因此在Z向下刀時(shí)不可采用傳統(tǒng)的Z向直接下刀方式（刀具直接Z向下刀會(huì)使刀具處于滿刀切削狀態(tài)，極易造成刀具折斷），因此在下刀刀路選擇上必須采用漸進(jìn)下刀方式，減少刀具所受阻力，在Mastercam通常采用折線進(jìn)刀與螺旋進(jìn)刀兩種方式，在該零件加工中，由于冗余尺寸小于0．05 mm，則擬采用折線進(jìn)刀方式加工［6，7］。

正式加工前需借助編程軟件進(jìn)行刀路仿真，仿真如圖4所示。

圖4 刀路仿真

通過切削參數(shù)優(yōu)化和刀路軌跡優(yōu)化，加工完成的零件達(dá)到設(shè)計(jì)要求，加工零件如圖5所示。

圖5 零件

3 結(jié)論

本文針對(duì)TC4鈦合金引信天線精密數(shù)控加工進(jìn)行深入研究，基于該類零件的技術(shù)特點(diǎn)，通過四因子四水平正交實(shí)驗(yàn)方法和多元線性逐步回歸分析建立0．4 mm超小刀具TC4鈦合金切削力數(shù)學(xué)模型，分析各切削參數(shù)對(duì)切削力的影響程度。通過該數(shù)學(xué)模型和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化了切削參數(shù)。通過Master CAM軟件對(duì)刀路軌跡進(jìn)行優(yōu)化、模擬和仿真，加工出符合設(shè)計(jì)要求的合格零件。

［1］ 鄔曉靜．引信天線與天線罩測(cè)量技術(shù)［J］．上海航天，2003，（5）．

［2］ 朱秀榮．?dāng)?shù)控機(jī)床加工精度和生產(chǎn)率的優(yōu)化研究［D］．吉林大學(xué)碩士論文，2010．

［3］ 王宗榮，左敦穩(wěn)，等．TC4鈦合金高速銑削參數(shù)的模糊正交優(yōu)化［J］．南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，29（6）．

［4］ 劉東，陳五一，等．鈦合金TC4切削過程流動(dòng)應(yīng)力模型研究［J］．塑性工程學(xué)報(bào)，2008，15（1）．

［5］ 劉振學(xué)，黃仁和，田愛民．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［J］．化學(xué)工業(yè)出版社，2004，8（39－75）．

［6］ 曹巖．Mastercam X精通篇［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

［7］ 黃信，趙立，等．毫米波天線縫隙陣列板數(shù)控加工技術(shù)研究［J］．制導(dǎo)與引信，2011，32（1）．