從 5mm 到 0.5mm，突破鈦合金翼面蒙皮加工
2025-2-18 來源：國宏工具 作者：-
國宏工具助力南京航空航天大學工藝優(yōu)化 化解老大難問題
航空制造企業(yè)中流傳著這樣一句話：“要把一克重量送上天，需要花費一克黃金。”這對占據(jù)了飛機 80%面積、21%重量的蒙皮零件來說，可謂是“至理名言”。包裹在飛機外殼的蒙皮，為了滿足飛機減重、動力提升等需求，零件厚度被“一降再降”，新一代戰(zhàn)術(shù)制導飛行器的金屬蒙皮厚度最薄處甚至僅 0.5mm，如同雞蛋殼般。同時，作為直接承受飛機載荷、對飛機疲勞壽命起決定性作用的零件，蒙皮不僅采用了高強度鈦合金等新材料，對加工精度和表面質(zhì)量都有著極高的要求，其加工技術(shù)一直被公認為是行業(yè)難題。
南京航空航天大學（以下簡稱“南航”）作為全國知名高校，以及數(shù)次參與我國航空航天重要型號預研、技術(shù)攻關(guān)、試驗任務(wù)的專業(yè)科研機構(gòu)，一直致力于多類型航空航天“難加工”零件的工藝優(yōu)化。針對某軍工企業(yè)某型號翼面鈦合金蒙皮零件易切穿、成品率低的問題，南航特別成立了項目團隊，就其零件結(jié)構(gòu)、材料特性、裝夾方式、加工工藝等進行了系統(tǒng)性探究，并聯(lián)合國宏工具系統(tǒng)（無錫）股份有限公司（以下簡稱“國宏工具”），共同研發(fā)了專用的直刃結(jié)構(gòu)整體硬質(zhì)合金銑刀，成功完成了厚度最小處僅 0.5mm、最大處 1mm，且?guī)в?0.5mm 厚度立筋結(jié)構(gòu)的鈦合金薄壁蒙皮試驗件高效高精加工，為整體薄壁腹板類零件的加工提供了有益借鑒。
鈦合金+復雜薄壁結(jié)構(gòu)，加工難度成倍上升
該款翼面蒙皮結(jié)構(gòu)復雜，如圖 1 所示，主體結(jié)構(gòu)為 1mm 厚的腹板，尺寸接近 0.8 X 0.3m，度很大；腹板上還帶有多邊形型腔結(jié)構(gòu)，型腔側(cè)壁的壁厚僅為 0.5mm，高度為 3.5mm，屬于典型的弱剛度結(jié)構(gòu)。蒙皮零件的毛坯為 5mm 厚鈦合金板材，材料去除率高達 92.6%。加之零件整體均由 TA15鈦合金制成，其材料的室溫強度、高溫強度以及焊接性能均高于 TC4 鈦合金等其他材料，更使得零件的加工難度成倍上升。
圖 1：蒙皮零件的主體結(jié)構(gòu)
南航項目團隊在對原加工工藝分析后發(fā)現(xiàn)，刀具的“不合適”是頻繁產(chǎn)生過切問題的關(guān)鍵。在刀具切入板材時，加工區(qū)域的材料會發(fā)生塑性變形，同時受到刀具所產(chǎn)生的向上牽引作用發(fā)生一定程度的翹曲。隨著余量的不斷去除，板材剛度逐漸下降，切削力的作用便讓實際切深越來越大，從而導致腹板的過切，甚至切穿。
圖 2：被切穿的腹板
明確方案優(yōu)化重點后，南航項目團隊便開始尋找合適的刀具廠商。國宏工具作為國產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具的領(lǐng)先企業(yè)，也是與南航保持著緊密聯(lián)系的校企合作伙伴，自然成為了團隊的第一選擇。“國宏工具是國內(nèi)少數(shù)幾家擁有刀具全制程自主生產(chǎn)能力的企業(yè)，在航空航天難加工材料領(lǐng)域有著深厚的技術(shù)和經(jīng)驗積累，更為難得的，是他們擁有高水平的切削實驗室，無論是‘硬件’還是‘軟實力’都十分契合南航對于技術(shù)合作伙伴的需求。”南航項目團隊負責人介紹說。
大膽創(chuàng)新，研發(fā)鈦合金專用直刃銑刀
針對高硬度材料的側(cè)面加工、槽加工，目前行業(yè)多采用大螺旋角立銑刀，因為螺旋角越大，工件與刀刃的接觸線就越長，施加到單位長度的刀刃上的負荷也就越小，從而有利于延長刀具壽命，也能在一定程度上提升切削穩(wěn)定性。但國宏工具技術(shù)部門在深度探究后發(fā)現(xiàn)，針對該款薄壁零件，原本為立銑刀帶來性能提升的“螺旋角”正是板材切穿的“罪魁禍首”。
“多次模擬加工后，我們發(fā)現(xiàn)，帶螺旋角的銑刀由于刀齒沿著螺旋排列，且每個刀齒的切削位置不同，因此切削力被分散到整個刀具上，在加工中便會對腹板產(chǎn)生‘上拉—下壓’的上下往復作用，這時一旦板材局部厚度不均勻存在翹曲凸起，就會出現(xiàn)過切。”國宏工具技術(shù)總監(jiān)王必永先生介紹說，“我們大膽提出了研發(fā)螺旋角為 0°的鈦合金專用直刃銑刀的想法，看是否能通過將切削力集中在與工件表面垂直方向的方式，避免過切。”
圖 3：國宏工具直刃銑刀實物圖
隨后，國宏工具技術(shù)部門快速設(shè)計出了對比實驗方案：將兩款采用了相同硬質(zhì)合金基體材質(zhì)與國宏自主研發(fā)的 AlCrN 基涂層材質(zhì)的螺旋角銑刀和直刃銑刀，通過同款三軸加工中心對目標零件的鈦合金毛坯板材進行加工試驗。同時，利用壓電式儀削力測量系統(tǒng)同步測量作用于工件和刀具上的切削力。
測試結(jié)果顯示，不同于帶螺旋角的銑刀加工時會在軸向產(chǎn)生正負兩向交替往復的切削力，直刃銑刀產(chǎn)生的軸向力始終對腹板產(chǎn)生下壓作用，因此能夠避免腹板被刀具切穿的問題。此外，下壓的切削力有助于壓緊腹板零件，輔助實現(xiàn)真空吸盤的嚴密吸附，從而保證切削過程中切深的準確性，提升腹板的加工精度。實驗還發(fā)現(xiàn)，較之帶有螺旋角的銑刀，直刃銑刀在相同切削參數(shù)下的切削力更小，因而能夠降低切削過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，減少低厚度腹板結(jié)構(gòu)的加工變形，如圖 4 所示。
圖 4：帶螺旋角的常規(guī)銑刀與直刃銑刀的切削力大小對比
南航項目團隊在內(nèi)部測試后，對國宏工具所研發(fā)的直刃銑刀的性能表示了高度認可。“采用直刃銑刀來加工鈦合金薄壁零件是一個顛覆傳統(tǒng)認知的創(chuàng)新設(shè)想，國宏工具團隊以高效的執(zhí)行力和強大的技術(shù)力將設(shè)想變成了現(xiàn)實，為我們攻堅這一項目帶來了突破。”南航團隊負責人說道，“此外，國宏工具自主研發(fā)的鈦合金專用涂層，也是這款刀具能夠充分發(fā)揮效用，達到理想加工效果的關(guān)鍵。”
加工難點“逐一擊破”，實現(xiàn)工藝優(yōu)化
找到合適的刀具，僅是方案優(yōu)化的第一步，如何優(yōu)化設(shè)計加工工藝成為了擺在南航項目團隊面前的又一難題。根據(jù)以往的經(jīng)驗，基于“短板優(yōu)先”的原則，團隊先設(shè)計了總體加工工序——首先在板材上加工型腔（圖 5 a)），從型腔中心位置螺旋下刀，切深達到槽腔深度后刀路逐步向外擴展，完成最薄弱的型腔內(nèi)腹板的加工（圖 5 b)）。之后再進行槽銑，去除各型腔間的材料（圖 5 c)）。最后對型腔立筋結(jié)構(gòu)的內(nèi)外圈進行加工（圖 5 d)）。
圖 5：蒙皮樣件的工序設(shè)計
而后，便是對單工序加工難點的“逐個擊破”了。在完成型腔內(nèi)部粗加工后，轉(zhuǎn)角部位還殘留有較多材料，且這些轉(zhuǎn)角大多十分狹窄，在其內(nèi)進行粗精加工難度很大。初步的設(shè)計方案是采用小直徑直刃銑刀，以側(cè)銑方式進行，但很快便出現(xiàn)了小直徑刀具難以承受逐漸增大的切削力而折斷的問題，而若通過減少切深與進給速度來控制切削時刀具的載荷，又會極大影響加工效率。因此，國宏工具技術(shù)團隊便提出了采用插銑方式的可能性，并且直刃銑刀也非常適用于插銑工藝。在得到南航項目團隊認可后，經(jīng)過多次加工實驗的國宏工具技術(shù)團隊確定了具體的工藝參數(shù)（如表 1 所示）。
表 1：型腔轉(zhuǎn)角殘插銑加工切削參數(shù)
對型腔內(nèi)外側(cè)壁進行精加工是最后一道工序，在零件剛性最弱時，將側(cè)壁內(nèi)外兩側(cè)余量一次性高效去除，并確保尺寸精度到位的嚴苛要求，也使其成為了難度最大的一道工序。如何實現(xiàn)？確定切削速度與每齒進給量是關(guān)鍵。“國宏工具在前期對直刃銑刀切削力的測試數(shù)據(jù)，為我們這一步序的工藝設(shè)計提供了很大幫助。” 南航團隊負責人介紹說。
國宏工具實驗發(fā)現(xiàn)，切削速度對直刃銑刀的切削力影響不大，相反，每齒進給量與切寬則對直刃銑刀的切削力產(chǎn)生了顯著影響，并且，切寬變化帶來的影響更大。基于此數(shù)據(jù)，南航項目團隊提出，在對型腔內(nèi)外側(cè)壁進行側(cè)銑加工時，可以采用高速切削，配合較小的每齒進給量與切寬，從而在減少切削力的同時獲得較高的材料去除率。
表 2：內(nèi)/外側(cè)壁精加工工藝參數(shù)
“經(jīng)過我們團隊成員和各方合作伙伴，尤其是國宏工具技術(shù)部門的共同努力，蒙皮樣件最終成功通過了驗收，不僅將精度、表面質(zhì)量誤差控制在±0.05mm 以內(nèi)，還大幅提升了加工效率，加工耗時較原有工藝減少了約 53%，且加工過程穩(wěn)定。” 南航團隊負責人總結(jié)道，“我們相信，南航與國宏工具正式成立的‘高性能刀具系統(tǒng)技術(shù)聯(lián)合實驗室’，接下來將會帶動更多的研究項目落地。”
圖 6：完成加工的蒙皮樣件
關(guān)于國宏工具
國宏工具系統(tǒng)（無錫）股份有限公司成立于 2004 年，注冊資本近 3.7 億元，是一家專業(yè)從事超高精密數(shù)控刀具和集成電路封裝楔形劈刀研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)。公司擁有各種先進加工、檢測設(shè)備達 290 余臺，建有涂層產(chǎn)線，具備刀具全制程生產(chǎn)能力，核心產(chǎn)品包括硬質(zhì)合金刀具、超硬刀具、陶瓷刀具和集成電路封裝楔形劈刀。公司以市場為導向，針對需求旺盛的電子信息、航空航天、汽車、通用機械、模具等領(lǐng)域，推出了多種刀具產(chǎn)品以及提效解決方案，與捷普集團、富士康集團、三星集團、中國航發(fā)、中國電科、三一重工、利納馬、博世集團等擁有長期的合作關(guān)系。
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