飞机钛合金模锻件的论文Word下载.docx
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1.2钛合金的应用及其切削加工技术的发展现状1
1.2.1钛合金的性能及其应用1
1.3钛合金切削加工技术的发展概况3
1.3.1钛合金切削刀具技术的发展概况3
1.3.2切削液5
1.3.3表面完整性5
2零件实体特征建模6
2.1UG软件对实体建模6
2.2结构件零件的实体建模过程6
3工艺规程的编制10
3.1工艺规程的制定10
3.1.1工艺分析11
3.1.2毛坯的选择11
3.1.3基准的选择12
3.1.4拟定工艺路线12
3.1.5数控工艺分析16
3.1.6加工余量的确定17
3.1.7荧光检查17
3.1.8热处理的确定18
3.2设备选型和选定夹具18
4零件的数控加工与程序生成19
4.1零件的操作定义20
4.2UG编程过程及其参数设置21
4.3刀位轨迹的生成及刀路仿真26
4.4后置处理27
4.5零件数控加工程序的生成(数控系统:
fanuc0)28
4.5.1粗加工部分程序28
4.5.2精加工部分程序29
总结31
参考文献32
致谢33
1绪论
1.1引言
钛合金是航空领域中常用的金属材料。
无论是军用还是民用飞机钛合金的用量都相当大。
然而钛合金是典型的难加工材料,切削效率比较低,刀具磨损严重,所以不断努力提高钛合金的铣削效率和加工质量,降低生产成本,一直是航空制造业多年来为之努力和亟待解决的技术难题。
1.2钛合金的应用及其切削加工技术的发展现状
1.2.1钛合金的性能及其应用
钛及钛合金由于具有比强度高、抗腐蚀性好、耐高温等一系列突出的优点,能够进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工。
50年代初期,在一些军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机层罩、减速板等受力不大的结构件。
60年代,钛合金在飞机结构上的应用,进一步扩大到襟冀滑轧、承力隔框、中冀盒形结构件、起落架结构件等主要受力结构件中。
到70年代,钛合金在飞机结构上的应用,又从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机,而且在民用飞机上也开始大量采用钛合金结构。
进入80年代后,民用飞机用钛逐步增加,并已超过军用飞机用钛。
对于高速战斗机,由于高速和高机动性,要求飞机结构尽可能轻,同时还要有耐高温的能力,实践证明,钛合金是最适宜的材料。
从美国各时期主力战机所使用的材料重量比例可以看出,军用机上复合材料和钛合金的比例正在不断加大,而铝合金的比率呈下降趋势,钛合金和复合材料的应用水平已是衡量飞机先进性的重要标志之一。
美国王牌战机F-22所使用的钛合金的重量比例达到了41%。
钛合金作为飞机机体材料使用的优势主要有以下几点:
1)轻量化,2)节约空间,3)耐热性,4)耐蚀性,5)能与碳纤维强化复合材料(CFRP材料)互相相容。
1.强度及热强度高
钛合金的密度小,一般在4.5g/cm3左右,仅为钢的60%,而强度高,热稳定性好,高温强度好。
在300℃~500℃温度下,钛合金的强度约比铝合金高10倍。
2.低温性能好
钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。
如在-100℃和-196℃时TA4的σb分别为893MPa和1207MPa。
因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。
3.抗蚀性好
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢;
对点蚀、酸蚀的抵抗能力特别强;
对碱、氯化物、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。
但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
4.化学活性大
钛的化学活性大,与大气中的O、N、H、C02、CO、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。
含碳量大于0.2%时,会在钛合金中形成硬质TiC;
温度较高时,与N作用也会形成TiN硬质表层;
在600℃以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层;
氢含量上升,也会形成脆化层。
5.导热系数小
钛的导热系数λ=15.24W/(m·
K),约为镍的1/4,铁的1/5,铝的1/14,而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。
6.弹性模量小
钛合金的弹性模量约为钢的1/2,故其刚性差、易变形,不宜制作细长杆和薄壁件,切削时加工表面的回弹量很大,约为不锈钢的2~3倍,造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘着磨损。
1.3钛合金切削加工技术的发展概况
1.3.1钛合金切削刀具技术的发展概况
1.切削钛合金时所需要的刀具材料的性能
切削生产率的提高主要是发展和应用新型的刀具材料的结果。
过去几十年里,切削刀具有了很大的发展,包括硬质合金涂层,陶瓷,立方氮化硼,多晶金刚石。
这些用来加工铸铁、钢和高温合金是有效的。
但是没有一种刀具能够改善钛合金的切削加工性,这是因为切削钛合金的刀具材料要求具有非常重要的性能,这些包括:
1)良好的热硬性以抵抗很高的应力;
2)良好的导热性以降低热梯度和热冲击;
3)良好的化学惰性以降低与钛发生化学反应的趋势;
4)良好的韧性和抗疲劳能力以适应切屑分割过程;
5)高压缩,拉伸和剪切强度。
2.目前用来切削钛合金的刀具
在几乎所有的钛合金切削加工过程中,碳化钨类(WC/Co)硬质合金刀具被认为是性能最好的。
在钻孔和铰孔过程中高速钢刀具性能也很好。
一些试验表明所有的硬质合金涂层刀具(用TiC,TiCN,TiN-TiC,Al2O3-TiC,TiN-Ti(C,N)-TiC,Al2O3,HfN,和TiB2涂层的硬质合金)其磨损率大于那些未涂层的刀具。
虽然现在的陶瓷刀具质量已经得到了提高并且越来越多的用于加工难切削材料,尤其是那些高温合金(例如镍基高温合金),但是由于其导热性能差、断裂韧性低并且与钛发生反应,所以他们并没有取代硬质合金和高速钢。
超硬切削刀具材料(立方氮化硼和多晶金刚石)在切削钛合金时的磨损率低,因而显示出良好的性能。
但是他们的应用受到价格的限制。
3.刀具失效形式和磨损机理的研究现状
钛合金切削的刀具失效与磨损机理方面已经进行了一些特别的研究。
切削钛合金时刀具材料遭受到的几种热和机械冲击、高切削应力、切削刃附近产生的高温极大的影响了刀具磨损率,从而影响了刀具寿命。
凹口(notching),刀面磨损(flankwear),弹坑磨损(crater),微崩和崩刀(chippingandcatastrophicfailure)是切削钛合金时刀具失效的主要形式。
这是由高温、高切削应力、钛的很强的化学活性,断续切屑的形成过程共同作用的结果。
加工钛合金时不同的刀具材料对应不同的磨损机理。
总的说来溶解扩散、粘着磨损、磨粒磨损和刀具塑性变形还有化学反应存在于各种刀具的磨损过程中。
4.切削参数对刀具寿命的影响
切削速度对刀具寿命的影响最大。
刀具寿命在高速切削的条件下非常短,但是随着切削速度的降低刀具寿命显著的提高。
切深和每齿进给量对刀具寿命的影响也很大。
当切削钛合金时,刀具几何角度对刀具寿命有很大的影响。
有人认为由大后角(从10到15度)和大的负前角(从-10度到-15度)够成的刀具比较适合加工钛合金,与标准的刀具几何角度相比(-5度前脚和5度后角)可以提高WC/Co类硬质合金刀具的寿命。
1.3.2切削液
当切削钛合金时必须使用切削液,这是一个基本的准则。
很多学者就以不同的切削液切削钛合金时对于刀具寿命以及工件表面质量等因素的影响这一问题展开了研究。
正确的使用冷却液极大的提高了刀具寿命。
油雾冷却、气雾冷却、高压切削液、低温切削以及热管换热等冷却润滑方式也已经或正在被研究。
1.3.3表面完整性
钛合金通常被用做稳定性要求较高的场合,因此必须保证表面完整性。
然而在钛合金切削和磨削过程中,由于其切削性能不好,所以表面很容易被损坏,损伤通常是以微观裂纹,积屑瘤,塑性变形,热影响区,和残余应力的形式出现。
目前已经有了一些关于钛合金表面完整性的研究。
当以不恰当的方式(例如使用比较钝的刀具)切削钛合金时会产生一个过热的白色层,这一层的硬度可能比基体材料高或者低。
一般来讲在切削条件下,表面残余应力呈现出压应力并且他们的值随着切削条件的不同而不同(例如切削速度)。
在磨削过程中,不恰当的磨削工艺会产生了很多表面残余拉应力,同时合适的磨削工艺会产生有用的浅的压应力。
在不合适的切削条件下加工出来的表面会被变形和微观裂纹破坏,从而导致零件的疲劳强度和抗应力腐蚀能力下降。
2零件实体特征建模
2.1UG软件对实体建模
UG是计算机辅助设计与辅助制造工具软件,其造型方法分为三大类:
一类为线架、二类为曲面、三类为实体,对于结构件的建模主要是通过实体造型来实现的,在实体生成和操作中,每一步操作都是建立一个“特征”特征的类型在目录树上显示,采用实体造型时必须现在基准面上建立草图,再对草图进行拉伸.旋转.放样等特征造型操作。
基本操作就是“拉伸”和“布尔运算”
在UG软件中特征实体基本造型包括:
拉伸体、回转体、扫掠向导等。
并通过UG中三维实体转换二维视图的功能生成二维图形,并生成图纸。
2.2结构件零件的实体建模过程
对于该零件的实体建模主要采用的是拉伸体、拔锥、过渡等主要操作。
拉伸体:
是将一个轮廓曲线(草图)根据指定的方式做拉伸操作用以增加材料的特征。
通过拉伸把基本的实体模块建立出来。
图2.1拉伸体示意图
而在拉伸体中,可以指定拉伸方式。
例如:
把实体通过布尔操作以指定的形式做拉伸特征。
通过实体创建、减、并、相交来确定实体形状,再通过此命令把局部形状加工出来
图2.2拉伸方式示意图图2.3布尔操作示意图
拔锥
:
用于对指定实体表面,从参考点所在平面开始,与拔锥方向成拔锥角度进行拔锥
图2.4拔锥面示意图
边缘圆角:
是指对实体的若干条边进行光滑过渡。
通过此命令把实体的各条边按工程要求作过渡处理。
图2.5过渡栏示意图
如图即为最终的结构件的三维建模:
图2.6三维建模示意图
再用UG的制图功能将三维图转换为二维视图如图:
图2.7二维视图
3工艺规程的编制
3.1工艺规程的制定
工艺规程一般包括工艺过程卡、工艺卡片、工序卡片等文件。
为制定出该件合理、经济的工艺规程须首先对零件进行工艺分析,然后选择毛坯,定基准,再拟订工艺路线、确定加工余量、工序尺寸和公差,然后选定切削用量和工艺装备。
而工艺工程的制定要由所要加工零件的特征所决定,例如:
该零件为某型飞机的结构件零件。
主要作用是以两外形工作面加孔定位该零件,用该零件上的孔引导钻头钻孔。
如图3.1所示,主要工作面。
图3.1零件外形图
3.1.1工艺分析
该工件为左右对称件,加工时按照一面两孔定位装夹,首先在普通的铣床上铣出外形,钻出三个工艺孔(其中两个用于定位)在铣出凸台为了满足零件在数控加工过程中的定位、装夹要求。
图3.2工艺分析示意图
3.1.2毛坯的选择
依据毛坯的选择原则,选择毛坯时应考虑:
⑴零件的力学性能要求相同的材料采用不同的毛坯制造方法,其力学性能有所不同。
锻造毛坯,其力学性能高于棒料和铸件。
⑵零件的结构形状和外轮廓尺寸形状复杂、力学性能要求不高可采用铸钢件。
⑶生产纲领和批量生产纲领小时(为小批生产),宜采用设备投资小的毛坯制造方法。
⑷现场生产条件和发展应经过技术经济分析和论证。
依据以上原则毛坯选择模锻件。
3.1.3基准的选择
1.粗基准的选择
由于毛坯的粗加工是依据划线进行加工的,且余量很大,故选用毛坯的三个表面定位。
2.精基准的选择
该零件是带孔的、外形简单一边带斜度的,因此孔是其设计基准(也是测量基准)。
为保证零件的加工精度,主要依据“基准重合”原则,以零件上的孔作为定位基准加工零件。
因此以一面两孔定位方式定位。
3.1.4拟定工艺路线
1.确定加工方法
确定加工方法时必须根据被加工表面的精度和粗糙度要求,选定最终加工方法,然后再选定精加工前的一系列准备工序的加工方法,即选定工艺方案,由粗到精逐渐达到要求。
由于样件的外形面带角度,为保证精度,需借助数控加工中心来保证定位精度和加工精度。
2.安排工序顺序
根据零件的形状,考虑零件加工的经济性,先对毛坯进行划线,再按划线利用普通铣床支去除大部分余量,然后再在数控加工中心上进行粗、精加工。
由于该零件在数控加工之前需用普通机械加工的方法去除大部分余量。
因其形状不规则,在普通铣床上光靠工序尺寸难以保证加工精度,须在机械加工之前安排一道辅助工序——划线。
然后按照毛坯上已划好的线在普通铣床上去除大部分余量,以减小在数控加工中心上的加工时间,节约成本。
将已初步加工完的零件送至数控加工中心,对一次装夹好的工件的进行粗、精加工。
工件进行数控加工完后,还须对数控加工无法完成的直角、尖角、死角部位进行人工修锉。
最后终检入库。
3.3工序安排参考图
3.工艺方案的优选
对已进行普通机械加工后的零件,为提高加工效率,简化工艺,采用五轴联动数控加工中心对零件进行加工。
方案一:
工序10:
下料
工序20:
划线
工序30:
钻3-Ф11孔
工序40:
铰3-Ф12孔
工序50:
按划线粗铣外轮廓
工序60:
按划线粗铣工作面(平面)
工序70:
按划线粗铣侧面轮廓1
工序80:
按划线粗铣侧面轮廓2
工序90:
按划线粗铣内型腔
工序100:
按划线去除毛坯两端多余废料
工序110:
以孔为基准,按数模粗铣、精铣内轮廓
工序120:
以孔为基准,按数模粗铣、精铣外轮廓
工序130:
按划线去除蒙皮工作面的余料
工序140:
以孔为基准,按数模粗铣、精铣蒙皮工作面
工序150:
以孔为基准,按数模粗铣、精铣工作面
工序160:
修锉,去毛刺
工序170:
终检
方案二:
下料
划线
按划线粗铣外轮廓
按划线粗铣工作面(平面)轮廓
钻3-Ф11孔
钻3-Ф12孔
以孔为基准数模加工粗铣外形腹板
以孔为基准数模加工粗铣内形
以孔为基准数模加工精铣外形
以孔为基准数模加工精铣内形腹板
数模加工外形斜面
普通铣削补外形
以上两个工艺方案,经过分析得知:
方案一,由于数控中的各道工序均以孔为基准加工,最后所得到的零件精度很高。
但问题是各工序以孔为基准需用专用夹具保证,且有些工序(如工序110、120等)很难做到,这无形中增加了加工的难度,提升了加工费用;
而方案二中,只有加工两个主要工作面时以孔为基准保证它的加工精度,其余工序由于精度不需很高,靠数控系统、机床自身的精度保证也完全能做到。
并且在工件的一次装夹定位中能加工出其余各非主要工作面。
相比于方案一,方案二在定位加紧上占有很大优势,确保了既保证加工精度的前提下又降低了加工难度,节约了成本。
故优选方案二。
3.1.5数控工艺分析
由于数控加工工序一般穿插于零件加工的整个工艺过程中间,要全面考虑,使其与整个工艺过程协调的吻合。
1、数控工序的划分
因该零件主要用数控机床进行粗、精加工,因而数控工序的划分直接影响着零件的加工精度和加工效率。
数控中划分工序一般有以下几种方法:
1以一次安装、加工作为一道工序;
2以同一把刀具加工的内容划分工序;
3以加工部位划分工序;
4以粗、精加工划分工序。
在划分工序时,有时是以一种方法划分,而有时考虑到零件的结构和工艺性,以一种方法为主、几种方法综合运用。
该零件的数控加工工序的划分就是以③为主,也用到了①、②、④三种方法。
主要以加工部位划分大体工序:
分为非主要工作面的加工和主要工作面的加工。
在划分具体工序时以①、②、④三种方法划分:
在一次装夹下用同一把刀具加工绝大部分表面。
2、数控工序顺序的安排
顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况,以及定位安装与夹紧的需要来考虑,重点是工件的刚性不被破坏。
工序顺序的安排原则为:
上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧,中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑;
先进行内型腔加工工序,后进行外形加工工序;
以相同定位、夹紧方式或同一把刀具加工的工序,最好连接进行,以减少重复定位次数,换刀次数与挪动压板次数;
在同一次安装中进行的多道工序,应先安排对工件刚性破坏最小的工序。
参照以上四条原则,拟定的数控工序顺序为:
按数模粗铣、精铣内轮廓按数模粗铣、精铣外轮廓按划线去除蒙皮工作面的余料、以孔为基准,按数模粗铣、精铣蒙皮工作面、以孔为基准,按数模粗铣、精铣工作面(平面)
3、确定进行五轴数控加工的工序
考虑到进行粗加工时,背吃刀量大,刀具变形比较大,切削力也比半精加工、精加工要大,故在粗加工时均采用三轴联动方式去余量。
因为数控机床在五轴联动的情况下,机床的刚性较差,受背吃刀量及切削力的影响,产生的加工误差也会加大。
在半精加工、精加工中为保证零件的精度及工艺需求,结合零件外形,因背吃刀量及进给量较小,大部分采用五轴联动数控加工。
工序(110)为五轴联动加工工序。
3.1.6加工余量的确定
该样件的加工主要依靠数控技术完成,而之前的工作由普通铣按划线完成。
划线时应确保加工余量5~10mm。
在数控加工的过程中,粗铣留余量1.5mm。
3.1.7荧光检查
荧光探伤检查用于非铁磁物质的零件,如:
不锈钢,铝合金、镁合金等。
它可以检查零件是否具有裂纹、分层、冷隔等缺陷,以确保零件质量和产品的性质与安全。
荧光探伤的原理:
某些物质在紫外线的照射下,能发出本身固有的光,这种光称之为荧光。
荧光探伤是将零件侵入具有渗透行的荧光液中(15%机油,85%煤油),然后取出,撒上荧光粉(氧化镁粉),放置于紫外线下,根据其发光情况,来判断零件有无上述缺陷和缺陷的严惩程度。
荧光探伤的应用:
它主要用来检查不锈钢、耐热钢、铝合金和镁合金零件是否具有裂纹、分层、冷隔等缺陷。
3.1.8热处理的确定
该件为钛合金件,为了消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留的内应力而进行的低温退火,称为去应力退火。
去应力退火是将钛合金件加热至低于Ac1的某一温度(一般为500
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