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星用压力容器封头数控加工误差控制研究.pdf

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星用压力容器封头数控加工误差控制研究.pdf

数控加工2009年2月第1期40星用压力容器封头数控加工误差控制研究石晓强孙韬王红梅(兰州物理研究所,兰州730000)摘要针对星用压力容器封头数控加工的误差,对封头加工流程中的各环节进行研究。通过增加去应力工序完善工艺流程,内控加严封头内球面及胎具的装配精度,优化加工刀具及切削用量,补偿数控加工过程中的刀尖圆弧磨损等措施,减小了加工过程中的误差,加工的产品满足了要求。关键词封头数控加工误差控制StudyonNCProcessingErrorControlofSatellitePressureVesselHeadPlateShiXiaoqiangSunTaoWangHongmeiLanzhouInstituteofPhysics,Lanzhou730000AbstractConsideringtheNCprocessingerrorsofsatellitepressurevesselheadplate,thewholemachiningprocessisanalyzedinthispaper.Toreducetheprocessingerrors,severalmeasuresaretaken,suchasaddingdestressingprocedure,internallycontrollingassemblyaccuracyofinternalsphericalsurfaceandclampingfixtures,optimizingmachiningtoolsandcuttingparameters,andcompensatingtoolarcwear.Finally,theproductsmeetallrequirements.KeywordsheadplateNCprocessingerrorcontrol1引言压力容器封头形状多为球形,在航空、航天等特殊领域,考虑到压力容器的重量因素,其制造材料多选用比强度系数较高的合金。钛合金(TC4)以其较高的耐腐蚀性、较高的质量性能因子而被广泛作为航空航天压力容器的制造材料。压力容器的封头是主要承力部件,其加工精度要求主要集中在壁厚均匀性方面。数控加工以其刀具轨迹精度高、一致性好等优势被广泛应用到星用压力容器封头的制造过程中。在制造过程中受各类加工因素的影响,封头的加工精度往往不尽如人意。2零件特点2.1材料特性钛合金是一种活性金属,容易氧化,在高温高压下容易和刀具中的钛粘结而磨损刀具,并影响工件的表面粗糙度钛合金导热性差、硬度高,其导热系数比其它普通钢材小,切削热不易通过工件夹具机床系统传导出去。因此,刀具在切削过程中容易产生过热现象,在高温作用下,刀具加速磨损,失去切削性能钛合金碳化亲合力强,易产生积结。为了更进一步提高材料的抗拉强度,部分压力封头需要进行特殊的固熔处理。处理后的零件硬度高,而且封头毛坯表面形成一种硬度很高的氧化层,增加了车削加工难度。2.2结构特性在航空、航天等特殊领域,对压力容器封头的尺寸精度和表面粗糙度都有较高的要求,同时对重量也有很严格的要求。一般星用压力容器的封头壁厚在0.8~5mm之间封头的直径一般在Φ100~1500mm之间粗糙度要求高于1.6,封头的壁厚误差要求不大于0.05mm。作者简介石晓强(1977),工程师,机电一体化专业研究方向星用压力容器的工艺研究与工艺设计。收稿日期20090108数控加工航天制造技术413加工工艺流程封头加工工序为先用TC4板材冲压毛坯成型,利用胎具将内球面车出,然后以内球面作为定位基准,将半球装在胎具上,来加工外球面。封头的加工工艺流程为下料→冲压成型→内球面加工→外球面加工→入库。4产生加工误差的原因分析(1)残余应力封头毛坯件采用热冲压成型,成型过程中原材料晶格发生畸变,产生较大的内应力,在加工过程中内应力释放,影响到加工精度。(2)受力变形因工件壁薄,在夹紧力的作用下容易产生变形,从而影响工件的尺寸精度和形状精度。(3)受热变形因工件较薄,切削热会引起工件热变形,使工件尺寸难于控制。(4)振动变形在切削力(特别是径向切削力)的作用下,很容易产生振动和变形,影响工件的尺寸精度、形状、位置精度和表面粗糙度。(5)刀尖圆弧的影响随着刀具的磨损,刀尖圆弧半径也逐渐增大。刀尖圆弧的大小直接影响着内、外球面球心是否重合,进而影响到壁厚均匀性。5误差控制措施5.1完善工艺流程为了减小封头在加工过程中因应力释放带来的变形,在封头冲压成型后增加了去应力工序,对没有进行固熔处理的毛坯件则选用真空退火方法去应力,对进行了固熔处理的毛坯件选用了机械方法去应力。完善后封头的加工工艺流程为下料→冲压成型→去应力→内球面加工→外球面加工→入库。5.2提高装夹定位精度在进行外球面加工时主要采用轴向夹紧力,使工件内球面全部贴附在胎具的外球壁表面,以增大工件刚性和摩擦力,来控制工件转动位移。经过反复试验和分析研究,认为产生半球壁厚不均匀和壁厚尺寸超差的根本原因是装夹间隙过大、定位精度不够。封头在加工外球面时是以内球面为定位基准的,因此内球面的尺寸精度以及一致性不理想时,容易造成工件与胎具贴附不紧,而产生滑移和振动,在车削半球外球面时,必然导致车削出的半球壁厚不均匀和壁厚尺寸超差。为了解决工件与胎具贴附不紧而产生滑移和振动的问题,必须分别控制胎具和工件接触面的尺寸精度,从而减小工件与胎具之间的配合间隙。首先提高支撑胎具的尺寸公差,其次是控制作为定位基准的内球面尺寸,进行工艺内控,加严其尺寸公差,确保胎具与工件装配后的间隙控制在0。最后在外球面胎具尾部加工出一个螺孔,当内球面定位基准尺寸加工好后,装在胎具上,用螺钉从尾部固定,进行外球面的加工。5.3刀具优化钛合金导热性能很差,为45号钢的1/6~1/7。选择刀具材料时,需要刀具具有如下的特性a.要考虑刀具材料的导热性能。b.切削钛合金产生单元切屑,变形系数近似为1,刀屑接触长度很短,切削力集中于刃口附近,单位切削力大,易崩刃,要求刀具材料韧性要好。c.钛合金化学性能活泼,易与空气中的氧和氮产生硬脆化合物,加快刀具磨损。由于切削钛合金时容易产生粘结磨损,因此选用无钛元素的钨钴(YG)类硬质合金刀具代替钨钛钴(YT)类硬质合金刀具,减少了刀具与工件的亲合性,并根据钛合金的切削特点,选择具有MoS2、WS2、WC等软涂层材料的刀具,软涂层刀具可增大刀具表面润滑性能,在切削过程中减小刀具与工件间的摩擦,防止在刀刃上产生积屑瘤,提高加工表面质量,延长刀具寿命。结合实际经验,对刀具的几何参数进行了如下优化a.前角r0和刃倾角λ0钛合金塑性较低,切削变形不大,刀屑接触长度很短,切削力集中作用在切削刃附近,因此选用较小的前角和刃倾角,以保证刀具锋利,减小加工变形,降低加工硬化,同时增加切削刃强度和抗崩损能力。粗车时前角取r05°~10°、刃倾角λ03°~5°精车时前角取r010°~15°、刃倾角λ00°~3°。b.后角a0切削时,工件过渡表面和已加工表面弹性恢复大,为减小刀具后面与过渡表面和已加工表面的接触面积,选用较大的后角,以减少加工表面与后刀面间的摩擦。粗车时后角取a06°~10°,精车时后角取a010°~15°。c.主偏角kr和副偏角k′r为改善切削时的散热条件,减小作用在主切削刃单位长度上的负荷,选用较大的主偏角和较小的副偏角,以降低径向力,防止振动。粗车时主偏角kr45°~75°,副偏角k′r5°~15°数控加工2009年2月第1期42精车时主偏角kr75°~90°,副偏角k′r5°~10°。d.刀尖圆弧半径re刀尖圆弧半径决定刀尖强度、散热及磨损,不易过大。粗车时刀尖圆弧半径re0.5~1mm精车时刀尖圆弧半径re0.5~0.8mm。5.4切削参数优化在切削用量三要素中,对切削力影响最大的是切削深度,其次是进给量,最后是切削速度而对切削温度影响最大的是切削速度,其次是进给量,最后是切削深度。针对钛合金切削过程中切削力小,切削温度高的特点,在选择切削用量时,尽可能选择较大的切削深度,然后选择合适的进给量,进给量主要受表面粗糙度的限制,考虑到刀具的耐用度,选择一个合理的切削深度,这样的选择既能保证加工质量,又兼顾了生产率和刀具寿命。切削用量粗车v40~50m/min,f0.2~0.3mm/r,ap3~5mm。半精车v50~80m/min,f0.2~0.3mm/r,ap1~2mm。精车v80~100m/min,f0.1~0.15mm/r,ap0.2~0.5mm。为了有效地冷却,提高刀具的耐用度,可根据工件的具体情况,使用乳化液冷却。5.5刀尖圆弧的修正作为半球类薄壁零件,保证壁厚精度的一个重要条件就是内、外球面球心的重合。数控编程中是通过圆弧起点、终点以及圆心的相对位置的定义方式来编制圆弧程序,而加工时刀具是以假想刀尖进行车削(图1)。虽然可以通过刀尖半径补偿的方式消除这种误差,但随着刀尖的磨损,刀尖圆弧半径也逐渐增大。因此,车刀刀尖圆弧的大小直接影响着内、外球面球心是否重合。加工实践也证明加工误差最易出现在45°方向,通常都为壁厚增加误差。图1尖圆弧影响示意图试验表明,刀尖圆弧在加工过程中对球面圆弧尺寸的影响极大,刀尖圆弧的误差会造成球面圆弧半径尺寸近10倍的误差放大。因此,在加工过程中,应对刀尖圆弧尺寸进行不断地修正。修正可以通过在机床刀具数据库中对刀尖圆弧磨耗修调,也可以采用机床自带参数宏程序进行实时修调。5.6数控程序补偿在封头外球面的加工过程中,通常使用内胎支撑、顶尖顶紧的装夹方式。这种装夹方式有效地解决了半球体外球面的加工问题。但从微观分析中我们可以看出(图2),封头大口轴向并没有任何的支撑物。随着壁厚的逐渐变薄,当加工至这一区域时,刀具会对材料造成挤压以及牵引作用,致使刀具对材料的切削量增加。大口区域的壁厚也因此出现逐渐变薄、不均匀等加工误差。图2切削受力示意图在加工过程中,由于材料变形造成的半球壁厚不均匀主要表现为半球大口区域及球顶区域壁厚尺寸的逐渐减小。通过工艺试验发现,对于这种类型的壁厚误差,可以通过改变数控程序中圆弧插补的半径值来逐步消减。6结束语从以上的试验研究可以看出,通过增加去应力工序完善了工艺流程,减小了加工过程中的应力释放对封头内球面及胎具的几何尺寸进行内控加严,提高了装配定位的精度同时对加工刀具及切削用量进行了优化,选择出钛合金粗、精加工过程中的最佳刀具角度和切削参数最后对数控加工过程中的刀尖圆弧的磨损以及切削力带来的加工误差进行了补偿。经过如上改进后加工了数千件封头,封头的壁厚均匀性控制在0.05mm以内,合格率达到了100。参考文献1谭树松.有色金属材料学M.北京冶金工业出版社,1993.1092王运巧,梅中义,范玉青.航空薄壁结构件数控加工变形控制研究J.现代制造工程,2005(1)31~333杨叔子.机械加工工艺手册M4王清.TC4钛合金的热变形行为及其影响因素J.材料热处理学报,2005(8)56~605苏振生.大型薄壁零件加工J.航天工艺,1998(2)39~41

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