耿旭亮,龐學豐,趙鑫宇
天津航天機電設備研究所 天津 300458
針對目前多項衛(wèi)星控制推進類產(chǎn)品的加工制造任務,面對多種難加工材料產(chǎn)品的加工制造難題,需要總結(jié)出一套試制方案及工藝措施。TZM合金是控制推進類產(chǎn)品中最先使用的難加工材料,用它制造的殼體能承受1400℃高溫,長期工作溫度在1000℃以上。衛(wèi)星推進系統(tǒng)用加熱發(fā)動機噴嘴通過高頻真空焊接在殼體內(nèi),因此其加工精度直接影響到發(fā)動機噴嘴的位置精度和發(fā)動機的工作性能。通過分析TZM合金材料的特性,比對加工刀具材料的性能,解決了該零件的加工難點,順利完成了該產(chǎn)品的加工任務。
TZM合金成分為wTi0.5%、wzr0.08%和wC0.02%,通過粉末燒結(jié)、鍛造等一系列工藝加工而成,其切削過程易出現(xiàn)崩碎和開裂。TZM合金與45鋼物理性能比較見表1。
表1 TZM合金與45鋼物理性能比較
通過表1得知,與易切削鋼——45鋼相比,TZM合金在加工上有以下特點:①材料表面氧化層硬度高,使得切削過程中的切削抗力增大,切削過程易振動,刀具易崩刃破損。②材料元素化學活性大,親和力強,在切削過程中易產(chǎn)生切屑粘結(jié),使刀具磨損加快。③該合金是脆性材料,切削時切屑呈崩碎狀,且材料硬度較高,刀具磨損嚴重。④彈性模量大,切削變形消耗的功多。⑤選取合理的切削參數(shù)對保證零件加工質(zhì)量及提高刀具壽命可以起到關鍵作用[1,2]。
殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該零件加工工藝路線可按常規(guī)思路進行編排,但結(jié)合零件材料特性,在加工過程中應進行工藝改進和優(yōu)化。零件內(nèi)孔M16×1mm內(nèi)螺紋長度較深,標準刀具無法加工,需要定制刀具進行加工。為保證產(chǎn)品精度,需要在加工中創(chuàng)新思路,提出有效的解決方案。
圖1 殼體結(jié)構(gòu)
根據(jù)TZM合金的特性,結(jié)合以往的加工經(jīng)驗,選用YG類硬質(zhì)合金刀具進行試切加工。YG類硬質(zhì)合金刀具耐磨性好,抗沖擊韌性高,由于材料內(nèi)不含Ti元素,因此避免了與零件材料產(chǎn)生親和作用。YG類硬質(zhì)合金牌號和性能見表2。
表2 YG類硬質(zhì)合金牌號和性能
(1)通用硬質(zhì)合金試切加工 最初選用YG類硬質(zhì)合金進行加工,為提高刀具壽命,減小切削力,刀具前角為1°~3°,為了減小后刀面與零件各表面間的摩擦力,在不降低刀具剛性的前提下,主后角選4°~6°,刀尖圓弧半徑0.2mm。在切削過程中,選取線速度20m/min,粗加工0.2mm,進給量0.12mm/r,加注切削液進行冷卻。當材料去除不到20%時,切削狀況已發(fā)生變化,刀尖嚴重磨損,零件已加工表面出現(xiàn)擠壓拉毛現(xiàn)象,不能正常切削。經(jīng)查閱相關資料,重新選取YG3X牌號硬質(zhì)合金進行加工,YG3X屬于細晶粒硬質(zhì)合金,是YG類合金中耐磨性最高的一種,適合于鑄鐵、有色金屬及其合金的精加工,也適用于淬硬鋼及鎢鉬材料的精加工[3]。在使用YG3X刀片進行切削時,與YG8刀片采用相同的刀具角度及切削參數(shù),加工過程平穩(wěn)。粗加工外形后,刀片正常,精加工完成后,零件尺寸與對刀時測量尺寸一致,符合加工要求,表面粗糙度值達到Ra=3.2μm。但是第二件零件粗加工完成后,零件外形尺寸比首件尺寸大0.03mm,并且發(fā)現(xiàn)刀尖略有磨損,由此可知車刀耐用度不足,整批生產(chǎn)會使零件尺寸不穩(wěn)定,生產(chǎn)質(zhì)量不易保證。
(2)涂層硬質(zhì)合金試切加工 為使零件尺寸可控,改用涂層硬質(zhì)合金刀具進行試切試驗。涂層有兩種方式,分別是化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)。我們選用了CVD工藝處理,使用TiC-Al2O3涂層刀片進行車削,該涂層有較高的抗磨料磨損性能,可以像陶瓷刀一樣高速切削。在加工過程中選用與YG8刀片相同的切削參數(shù),加工兩件零件后,產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定,刀具未出現(xiàn)磨損。為提高生產(chǎn)效率,并檢驗刀具壽命,將切削速度提高至40m/min,切削過程平穩(wěn),切屑排出略有不暢。分析認為,這種現(xiàn)象與切削液的使用有一定關聯(lián),因為在加工時切削速度屬中低速,所以切削熱并不嚴重,排屑不暢造成零件已加工表面有斷續(xù)拉毛情況。但刀具各表面及刀尖狀況良好,無磨損現(xiàn)象。于是更換極壓切削液進行冷卻潤滑,更換后排屑不暢現(xiàn)象不再發(fā)生,零件表面粗糙度符合設計要求,由此確定可使用該刀片進行加工。
(1) 改變切削方式,減小切削抗力 通過表3可以看出,TZM合金切削層單位面積切削力比工具鋼T10A的數(shù)值還大。最初零件中段φ18mm長凹槽部位,采用G75切槽循環(huán)指令、2mm寬切槽刀先加工右端至要求尺寸,然后換外圓車刀加工左端至要求尺寸,如圖2所示。此時,由于該材料切削層單位面積的切削力較大,在使用切槽刀切槽時,切削刃與零件接觸寬度為2mm,切削刃負荷大,使得切槽刀磨損嚴重,切削狀況極其惡劣,造成切槽刀未完成一個切削循環(huán)時,兩刀尖和主后刀面就已磨損、崩尖,無法繼續(xù)切削。經(jīng)過分析試驗,改用55°菱形刀片,編制25°斜進刀角度,使用外圓車削循環(huán),加工左端至要求尺寸,然后換反偏刀,將右端部位加工至要求尺寸,如圖3所示。使用偏刀切削時每次背吃刀量為1mm,相比切槽刀與零件的接觸面積減小,降低了切削負荷,且偏刀的剛性比切槽刀大大增強。因此切削過程平穩(wěn),零件尺寸控制精確。這種加工寬凹槽的方式,適用于加工各類單位面積切削抗力較大的難加工材料。
表3 常用金屬材料性能及切削層單位面積切削力
圖2 零件中段φ18mm長凹槽部位初始加工示意
圖3 零件中段φ18mm長凹槽部位改進加工示意
(2)螺紋出入口處牙形崩牙、鋸齒問題的解決方案 零件內(nèi)螺紋M16×1mm的正常加工方式是:鏜螺紋底孔至尺寸→切退刀槽→螺紋兩端倒角→車螺紋。此加工順序可使螺紋入口和出口處毛刺朝牙外側(cè)翻出,避免了車削完螺紋再倒角而將毛刺擠入螺旋槽內(nèi),造成螺旋槽內(nèi)毛刺不易清除干凈,影響螺紋配合精度。
TZM合金屬于燒結(jié)制品,材料脆性高,在加工螺紋時,螺紋入口和收口起刀處至一個導程距離段內(nèi)為不完整牙形。該段牙形極為尖銳,牙形頂部呈現(xiàn)鋸齒狀,在外螺紋旋接時,此處受力易使零件崩碎掉渣,從而產(chǎn)生多余物,影響整個噴管部位的安全和性能。為避免這種現(xiàn)象,經(jīng)過多次試切試驗,改變加工順序為:車螺紋底孔→車螺紋→切退刀槽→倒角。按照這種加工方式,使用成形刀切出倒角,這樣擠入螺旋槽內(nèi)的毛刺較薄,同時牙頂崩碎現(xiàn)象減少。螺紋加工完成后,使用自制內(nèi)螺紋牙形刮刀手工去除出入口部位的毛刺,并將該部位牙頂?shù)匿忼X刮平修光,最終使加工出的螺紋滿足設計要求。
(3)改制刀具適應螺紋加工要求 該零件M16×1mm內(nèi)螺紋深度為52mm,現(xiàn)有內(nèi)螺紋車刀為標準長度,但刀桿粗,需將刀桿磨細才能進入底孔。由于直徑符合要求的刀桿較短,螺紋有效長度不能保證,但如果訂制刀具,交付周期為20天以上,嚴重影響產(chǎn)品節(jié)點要求。為此,根據(jù)現(xiàn)有刀具,選用長徑比符合條件的內(nèi)溝槽車刀(見圖4)進行改制,使用金剛石砂輪將內(nèi)溝槽刀片磨制成60°螺紋刀形狀進行螺紋加工,并把內(nèi)溝槽刀桿后端干涉部位磨去,如圖5所示。改制后的刀具,適應了加工需求,保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)點。
圖4 標準內(nèi)溝槽刀
圖5 改制內(nèi)螺紋刀
TZM合金外殼的加工主要是選用最適合的刀具材料,而如何選用則需要對材料特性進行仔細的分析,對硬質(zhì)合金及各類切削材料的性能有深入的了解,并通過試切比對不同刀具材料配合相應切削參數(shù),選出最適用的刀具牌號和切削參數(shù)。加工過程工藝路線的優(yōu)化,也為該零件的加工提供了保證。
通過TZM合金的加工范例,拓寬了加工思路,掌握了試切方法。我所在以上加工經(jīng)驗的基礎上,陸續(xù)完成了鈮鎢合金、鎢錸合金等難加工材料的試制加工和定型生產(chǎn)。