超大型钛合金航空结构件腹板加工烧伤分析_文琴.pdf
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1、2023年 第2期 冷加工79智能制造 Intelligent Manufacturing超大型钛合金航空结构件腹板加工烧伤分析文琴,徐正德,陈学振,赵中刚,张玉嘉航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司四川成都610091摘要:以某型号超大型钛合金框类工件为研究对象,对腹板加工烧伤问题进行原因分析与控制研究。从现场操作、工艺方法、刀具应用与机床监控预警系统进行分析,应用5why分析法得到根本原因为刀具设计与监控预警管理缺陷。设计安装了激光测刀系统,通过实时监测机床载荷提升监控有效性、规范刀具结构与寿命管理优化的技术方法,对生产现场工件加工过程实行稳定有效监控。结果表明,实施优化策略后能够避免
2、工件加工烧伤,对航空钛合金高速稳定加工具有重要的工程应用价值。关键词:腹板加工烧伤;监控预警;刀具;管理1 序言钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好和耐热性高等优良的综合性能,被广泛应用于航空领域。与铝合金材料相比,钛合金的热导率低,变形系数小且化学活性高,是一种典型的难加工材料,其切削加工的难点主要表现在刀具吸收的切削热太多,导致刀具磨损加快甚至破损1-6。通过技术及管理手段将刀具加工信息及时反馈并预警,对刀具现场加工过程中的稳定运行至关重要7-10。因此,本文针对复杂航空结构件加工烧伤失效的影响进行分析,并对不同加工工况的工程应用展开研究,特别是腹板加工烧伤典型问题,以钛合金框类航空结构件腹板烧
3、伤情况作为考察对象,通过刀具使用与加工过程监控等技术管理手段,实现对生产现场超大型钛合金框类工件烧伤质量问题的进一步稳定控制,对提高航空制造业整体技术水平具有重要工程应用意义。2 原因剖析大型卧式机床在加工某超大框类工件精铣腹板时,一处框格腹板加工烧伤,范围106mm 104mm2.7mm(长宽深),工件材料为TC4,毛坯价值超过100万元。工件一处框格腹板加工烧伤(见图1),刀杆底部有熔融粘接痕迹。2.1 根本原因剖析5why分析法是一种诊断性技术,被用来识别和说明因果关系链,避开主观假设和逻辑陷阱,找到问题的根源,从根源着手去改善问题11。应用5why分析法对大型钛合金框类工件腹板加工烧伤
4、问题进行深度剖析,流程见表1,得到根本原因是:刀具产生磨损、刀具结构设计缺陷、缺少刀具结构参数评价规范与机床监控预警系统管理规范。2.2 刀具原因分析刀具为可转位刀具JDXTIAY4GNT/32*10*80R3,直径32mm,刃长10mm,工作长度80mm,底角R3mm,4齿,容屑深度为0.7mm,刀片材质为硬质合金,刀杆材质为钢件,加工对象为钛合金。故障发生时刀杆底部有熔融粘接痕迹,有一处约4mm6mm的积屑瘤,积屑瘤顶部已磨平至与刀尖等高,刀具一刀齿内侧有缺损,如图2所示。图1零件腹板烧伤区域2023年 第2期 冷加工80智能制造 Intelligent Manufacturing根据程序
5、仿真,故障区域与机床监控预警系统发出报警的时间相符,此处设备功率最大达到20%(通常功率为5%10%)。操作者检查时刀具在工件上未抬刀,积屑瘤隐藏在刀具底部,而刀具周齿无缺损,所以未发现异常。经分析,刀具发生损伤的主要原因如下。(1)刀具容屑空间不足从更换新刀具开始到发现故障,该刀具已加工了约180min(在使用寿命内),刀具加工前确认无破损,在加工过程中刀齿底角R3mm发生少量破损,造成切屑形状异常,进而导致切屑排出不畅,进入刀具底部。刀具底部无切削能力,而且刀具容屑空间仅0.7mm,切屑与工件腹板摩擦升温,在刀具底部堆积形成积屑瘤,工件被烧伤。刀具关键参数包括加工材料、齿数、工作长度、刃长
6、、底角R和刀具直径,未考虑到可转位刀具底部容屑空间对产品质量造成的潜在风险,因此未对容屑空间提出具体要求。(2)刀具切削稳定性差刀具材料问题、过度使用及切削力不稳定均可能造成刀具破损。根据刀具实物故障调查,刀具出厂和验收均未显示材料存在问题。刀具平均使用寿命为320min,而实际刀具加工时间为180min,在刀具使用寿命范围内,不存在过度使用的情况。由于钛合金属于难加工材料,加之相同工件热处理后变形的状态和粗加工后的余量存在差异,在加工过程中变形、让刀等原因会造成局部切削稳定性不足的情况,自身的硬度导致刀具磨损快,规律性差,所以刀具加工的切削稳定性较差。2.3 监控预警系统分析加工所使用的监控
7、系统属于新技术的应用,系统仍处在不断的更新中,相关的制度和规范尚不完善。该系统一直存在误报警的情况,其主要原因为系统学习不成功。加工首件工件时,系统会进入学习状态,收集加工状态,设定监控极限值,但只要存在加工暂停,系统便认为学习结束,再次启动系统时,系统便进入监控阶段。这时的加工没有执行学习,未设定极限值,当后续加工该类工件时,程序运行到学习暂停段位后,系统检测出负载,由于当前无极限值,系统检测认为过载,产生报警,该类报警属于误报警信息。在已有的加工规范中,对于正常报警和误报警的区分、消除报警的规范性操作未进行有效说明。系统报警后,操作者一方面未对刀具整体进行检表15why法分析流程1why为
8、什么框格发生过烧刀体底部积屑瘤和工件摩擦2why为什么刀体底部有积屑瘤切屑进入了刀具底部3why为什么切屑进入了刀具底部为什么问题没有被发现异常切屑进入刀体底部刀具底部容屑空间不足监控预警系统报警处置不当操作者检查刀具不全面4why为什么切屑进入刀体底部为什么隐患刀具进入现场 使用为什么预警系统报警处置不当为什么操作者刀具检查不全面刀具一个刀齿底角R3mm内侧发生少量破损订货时对刀具结构参数风险评估不足操作者对监控功能掌握不足对高价值工件敏感性不够5why为什么底角发生少量破损为什么订货时对刀具结构参数风险评估不足为什么操作者对监控功能掌握不足切削不稳定,刀具产生磨损技术能力不足,无刀具结构参
9、数评价订货规范系统不成熟,无报警处理和检查规范图2刀具损伤2023年 第2期 冷加工81智能制造 Intelligent Manufacturing查,只检查了刀具周齿,忽略了底齿部位;另一方面在处理机床报警时,无法直接获取有效信息,判断报警的具体原因,只能凭借个人经验及外观检查结果判定为误报警,后消除报警继续加工,导致系统监控失效。系统监控过程如图3所示。图3系统监控过程该问题暴露出在该系统应用过程中存在技术不成熟和管理纰漏的问题,对操作者应采取的应对措施未作出规范,导致此质量问题未被及时发现,从而造成质量故障,导致高价值工件报废。3 优化策略3.1 刀具结构与管理优化(1)刀具寿命管理建立
10、并定时更新刀具寿命库(见表2),包含刀具适用的切削环境,刀具适用的寿命范围,避免刀具破损造成产品故障。如果发生连续5把刀具在寿命期内损坏的情况,则立即核查刀具寿命及适用环境,更新刀具寿命表,且刀具寿命至少每年度更新一次。(2)刀具结构优化故障前使用的刀具容屑空间原为1.5mm,后来供应商将刀具容屑空间更改为0.7mm,而刀具库中另一厂家生产的刀具容屑空间为2.2mm(见图4)。两种容屑空间不同的刀具,却采用同一刀具号进行管理,充分暴露出刀具管理过程中未充分识别刀具容屑空间对加工的影响。为促进刀具使用的科学性、合理性和规范化,提高刀具加工效率,降低刀具损耗,减少刀具使用过程中的质量故障,需要制定
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