Wie verarbeitet man dünnwandige Teile aus Titanlegierungen mit einem Länge-Durchmesser-Verhältnis?

Titanlegierungen werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit, geringen Dichte, Konservierung, Hochtemperaturbeständigkeit, guten Schweißbarkeit usw. häufiger in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Es handelt sich um klassische Materialien mit schwieriger Bearbeitung, schlechter Wärmeleitfähigkeit im Bearbeitungsprozess, hoher Viskosität beim Schneiden, kleinem Elastizitätsmodul, leichter Verformung und Verdrehung und schwerer Gewährleistung der Präzision.

Bei der Bearbeitung haben diese Teile der dünnen Wände eine Dicke von weniger als 1 mm oder ein Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 10, weisen eine schlechte Steifigkeit auf, sind schwer zu klemmen und lassen sich leicht durch Schnittkraft verformen.

Besonders schwierig ist die Bearbeitung dünner Wände aus Titanlegierungen mit einem großen Länge-Durchmesser-Verhältnis, da diese eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, geringe Steifigkeit und geringe Biegefestigkeit aufweisen. Da die Bearbeitung durch Bearbeitungskräfte, Schneidwärme usw. beeinträchtigt wird, treten leicht Probleme hinsichtlich Biegung, Konizität und Trommeltaillenform auf.

Zu diesem Zweck werden diese Verarbeitungsprobleme durch Geräteoptimierung, Verbesserung der Prozesslösung, Anpassung der Verarbeitungsparameter und Verformungsbegradigung gelöst.

Teilestruktur und Verarbeitungsanforderungen

Das Material eines Teils ist eine TC6-M-Titanlegierung (doppeltes Glühen). Die Teilegröße ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Seitenverhältnis liegt nahe bei 40 und die Wandstärke beträgt weniger als 0.5 mm. Es handelt sich um eine dünnwandige Struktur mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis.

Das Innenloch hat einen Durchmesser von 4.6 ± 0.05 mm, die Gesamtlänge beträgt (186 ± 0.2) mm und der Oberflächenrauheitswert beträgt Ra = 3.2 μm. Der äußere Kreis des großen Endes beträgt φ 8+0.04 +0.03 mm, und die Größe ist streng; Der Außenkreis des kleinen Endes beträgt φ5.4 0 -0.1 mm und die Geradheit muss 0.1 mm betragen.

1. Materialanalyse

Die Titanlegierung TC6 ist eine martensitische α-β-Zweiphasen-Titanlegierung mit guter Gesamtleistung. Ihre nominelle Zusammensetzung ist Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr 0.5Fe-0.3Si. Sie weist eine hohe Festigkeit bei Raumtemperatur auf. Die chemische Zusammensetzung ist in Tabelle 1 aufgeführt. Sie kann bei unter 6000 °C über 400 Stunden und bei unter 2000 °C über 450 Stunden lang verwendet werden.

2. Analyse von Verarbeitungsschwierigkeiten

Die Teile haben einfache Strukturen und hohe Anforderungen an die Maßgenauigkeit. Die Klemmkraft und die radiale Schnittkraft können leicht zu Verformungen der Teile führen, was das Klemmen erschwert. Die schlechte Schneidverarbeitbarkeit von Titanlegierungsmaterialien erschwert auch die Entwicklung von Prozesslösungen.

Bei der Bearbeitung von Teilen mit Längen-Durchmesser-Verhältnissen wird üblicherweise die Spannmethode der Spannfutterklemmung und der Rotationsmitten-Obenklemmung verwendet. Bei der allgemeinen Bearbeitung ist es erforderlich, eine Mitnehmerauflage und eine Mittelauflage zu installieren, um die radiale Schnittkraft auszugleichen und die Verformung des Werkstücks während der Bearbeitung zu verringern.

Aufgrund der Beschränkungen des Außenkreises und der Längenabmessungen können die in Abbildung 1 gezeigten Teile nicht direkt durch eine Mittelauflage und eine Mitnehmerauflage gespannt werden. Daher sind die Verbesserung der Klemmsteifigkeit der Teile und die Reduzierung der Biegeverformung die wichtigsten Maßnahmen zur Gewährleistung der Maßhaltigkeit der Teile.

Verarbeitungstechnologie

1. Prozessdesign

1) In der axialen Richtung des Teils ist ein Spielraum von 10 mm als Prozesszusatz zum Spannen reserviert, wodurch der Einfluss der Spannkraft auf die Genauigkeit des Außendurchmessers des Spannteils des Teils verringert wird.

2) Beim CNC-Drehen bleibt ein Spielraum von 0.2 mm für den φ 8 mm Außenkreis und ein Spielraum von 2 mm für den φ 5.4 mm Außenkreis, um die Klemmsteifigkeit des Tieflochbohrvorgangs des Teils zu verbessern. Der Außenkreis wird nach dem Drehen als Positionierungsreferenz für den Tieflochbohrvorgang verwendet. Das Innenloch wird mit einer hochpräzisen Tieflochbohrmaschine PT2/750 tiefgebohrt, um die Lochgrößentoleranz sicherzustellen.

3) Beim CNC-Feindrehen des Außenkreises wird das Innenloch zur Positionierung der Durchgangswelle verwendet, um die Steifigkeit des Teils zu verbessern und Biegeverformungen zu reduzieren. Dieser Prozess ist am schwierigsten zu verarbeiten.

4) Wenn das Teil auf die endgültige Wandstärke bearbeitet ist, wird, um die durch das Schneiden verursachte Verformung zu reduzieren, das Drahtschneiden im EDM verwendet, um das Prozessergebnis zu entfernen, die R0.2-mm-Runde wird mit der Bank bearbeitet und die Endfläche wird poliert und die durch das EDM verursachte Elektroätzschicht wird entfernt.

2. Verarbeitungsprozess

Verarbeitungsprozess: Materialvorbereitung → CNC-Drehen → Tieflochbohren → CNC-Feindrehen → Drahtschneiden → Werkbankarbeit → Ultraschallreinigung → Fluoreszenzfehlererkennung → Inspektion → Rostschutz und Versiegelung.

Verwenden Sie Stangen aus Titanlegierung mit einem Durchmesser von 15 mm × 200 mm. CNC-Drehmaschine der äußere Kreis auf φ 10 mm × 198 mm, Referenz für die Positionierung des Tieflochbohrens, nach dem Tieflochbohren ein Loch mit φ (4.6±0.05) mm bohren, CNC-Feindrehen des äußeren Kreises mit Positionierung des inneren Lochs, abschließend Drahtschneiden verwenden, um die zusätzliche Prozessmenge zu entfernen, die Teile auf der Werkbank entgraten und reinigen, und dann prüfen und an das Lager übergeben.

Probleme und Analyse in der Verarbeitung

1. Probleme

Beim CNC-Feindrehen des Außenkreises nach dem Tieflochbohren treten Eindringprobleme auf, die durch die Größentoleranz des Außenkreises und die Koaxialitätstoleranz verursacht werden.

(1) Methode 1 zum Feindrehen des Außenkreises

①5 Schritte: zwei obere Außenkreise zum Schruppen, Prozessparameter sind Drehzahl n = 800 U/min, Vorschub f = 0.14 mm/U und Abtrag von 0.2 mm.

②10 Schritte: eine Klemme und eine obere Methode (selbstgefertigter Stopfen), Prozessparameter sind Schruppdrehgeschwindigkeit n = 800 U/min, Vorschub f = 0.14 mm/U, Schneiden auf φ 5.56 mm, Entfernen von 2 mm; Feindrehgeschwindigkeit n=800 U/min, Vorschub f=0.1 mm/U, Schneiden bis φ 5.36 mm.

Nach dem Drehen verformt sich der äußere Kreis des Teils durch das Werkzeug und die Form ist trommelförmig (siehe Abbildung 2). Die gemessene Größe des Teils in der Mitte beträgt φ 5.8 mm und an den beiden Enden φ 5.5 mm; der Rauheitswert der äußeren Oberfläche beträgt Ra > 6.3 μm.

(2) Methode 2 zum Feindrehen des Außenkreises

Verbessern Sie den Werkzeugweg beim Feindrehen. Durch Überprüfen der Verformung und Position des äußeren Kreises wird gemäß der Abweichung von 0.3 mm (φ 5.8 mm – φ 5.5 mm) in Durchmesserrichtung während der Programmierung die schräge Linie von einem Ende des Teils zur mittleren Position gezogen, um das Phänomen des Werkzeugdurchlassens auszugleichen. Die innere Lochdurchdringung des Teils nach der Bearbeitung ist in Abbildung 3 dargestellt.

2. Problemanalyse

(1) Ursachenanalyse

Der Hauptgrund dafür, dass der äußere Kreis des Teils die Form einer Hüfttrommel hat, besteht darin, dass beim Drehen des Teils auf der CNC-Drehmaschine die Teileklemmung nach dem Prinzip „Eine Klemme, eine Oberseite“ erfolgt, der Überhang des Teils groß und die Steifigkeit gering ist.

Die Schnittkraft beim Drehen kann in axiale Schnittkraft, tangentiale Schnittkraft und radiale Schnittkraft zerlegt werden. Die axiale Schnittkraft und die tangentiale Schnittkraft bewirken, dass das Werkstück eine leichte Längsverformung erzeugt, die kaum Auswirkungen auf das Werkstück hat.

Die radiale Schnittkraft ist senkrecht zur Achse des Teils, wodurch sich das Teil verbiegt und verformt, was zu der geringsten Schnittmenge in der Mitte des Teils führt und das Teil nach der Bearbeitung die Form einer Taillentrommel hat.

Das Eindringen in das Innenloch des Teils wird hauptsächlich durch die Koaxialität des Innenlochs und des Außenkreises des Teils verursacht. Nachdem das Innenloch durch Tieflochbohren bearbeitet wurde, wurde das Teil gebogen und verformt. Beim Tieflochbohren werden keine Anforderungen an die Geradheit des Außenkreises gestellt. Nach dem Tieflochbohren sind das Innenloch und der Außenkreis nicht koaxial. Die Schnittzugaben sind unterschiedlich, wenn die beiden Oberteile den äußeren Kreis drehen, was zu einer lokalen Durchdringung führt.

(2) Mechanismusanalyse

Das Teil wird mit einer Klemme und einem Druck gespannt. Die Gesamtlänge des Teils beträgt 186 mm. Wenn die CNC-Drehmaschine den äußeren Kreis dreht, ist der Überhang lang. Während des Drehvorgangs wird das Teil durch die radiale Schnittkraft und die Überhanglänge beeinflusst, was zu einer Biegeverformung führt. Das mechanische Modell der CNC-Drehmaschine, die den äußeren Kreis dreht, ist in Abbildung 4 dargestellt.

Gemäß der Materialmechanik lautet die Berechnungsformel für die Verformung δ am Ende des Teils beim Drehen des Außenkreises

(1) In der Formel ist δ die Verformung (mm);

F ist die radiale Schnittkraft des Werkzeugs auf das Werkstück (N);

L ist die Überhanglänge, die sich auf den Abstand zwischen dem Werkstückspannpunkt und dem Werkzeugangriffspunkt (mm) bezieht;

E ist der Elastizitätsmodul des Werkstückmaterials (N/mm2) und d ist der Durchmesser des Werkstückrohlings (mm).

Aus Formel (1) ist ersichtlich, dass bei konstantem Teilematerial und Werkstückdurchmesser der Faktor, der den größten Einfluss auf die Drehverformung δ des Teiles hat, die Überhanglänge L ist, gefolgt von der radialen Schnittkraft F.

Verbesserung der Verarbeitungstechnologie

1. Geräteoptimierung

Bearbeitungseigenschaften der CNC-Längsdrehmaschine: Das Federfutter in der Spindel klemmt das Stangenmaterial für Rotation und axiale Vorschubbewegung, das Werkzeug bewegt sich radial.

Da die Bewegungsbahn des Werkzeugs senkrecht zur Achse des Werkstücks verläuft, d. h. das Werkstück dreht und bewegt sich während des Drehens, muss sich das Drehwerkzeug nicht mit dem Werkstück bewegen und das Schneidwerkzeug bleibt immer in der Spannposition des Spindel und Werkstück, so dass sich das zu bearbeitende Teil immer in einer Position mit guter Steifigkeit befindet. Wenn die Überhanglänge L mit der Bewegung des Teiledrehmeißels abnimmt, nimmt die Verformung δ exponentiell ab, sodass die Längsdrehmaschine besser für die Bearbeitung von Teilen mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis geeignet ist.

Es gibt einen wesentlichen Unterschied zwischen Längsdrehmaschinen und konventionellen Drehmaschinen. Konventionelle Drehmaschinen verlassen sich auf die Bewegung des Werkzeugs, um das Drehen überschüssiger Rohlinge während der Bearbeitung abzuschließen. Bei präzisen, schlanken Wellenteilen können konventionelle Drehmaschinen die Bearbeitungsanforderungen offensichtlich nicht erfüllen.

Das Seitenverhältnis dieses Teils liegt nahe bei 40, was sich besser für die Bearbeitung auf CNC-Längsdrehmaschinen eignet. Bei der Bearbeitung von Teilen mit Längsschneidegeräten muss eine zusätzliche Länge des Zuführteils übrig bleiben (>200 mm). Bei der Bearbeitung dieses Teils auf einer herkömmlichen Drehmaschine beträgt die zusätzliche Länge des Prozesses nur 15 mm.

Da es sich bei dem Teilmaterial um eine teure TC6-Titanlegierung handelt, bleibt bei der Bearbeitung auf einer Längsdrehmaschine viel zusätzliche Länge für das Teil übrig. Die Prozesskosten sind zu hoch und die unfertigen Arbeiten, die durch den Tieflochbohrprozess vor Ort bearbeitet wurden, können nicht bearbeitet werden.

Um das Spannproblem bei der Bearbeitung auf einer Längsschneidedrehmaschine bei gleicher Lagerlänge des Teils zu lösen, werden daher hauptsächlich die folgenden Maßnahmen ergriffen.

1) Innengewinde M5×0.5-6H an der zusätzlichen Position des Teils verarbeiten, mit einer Einschraublänge von 9 mm.

2) Entwerfen Sie eine Vorschubstange (siehe Abbildung 5), um die Prozessergänzung zu ersetzen. Das Material der Vorschubstange besteht aus 45er Stahl, ist 240 mm lang und hat ein Außengewinde M5 × 0.5-6h. Der Außendurchmesser der Vorschubstange sollte dem Außendurchmesser des Teils vor dem Längsschneiden entsprechen und das Federfutter sollte zuverlässig geklemmt sein.

3) Um die Steifigkeit des Teils zu verbessern, beträgt der Außendurchmesser der Vorschubstange entsprechend dem Nennwert des Außendurchmessers des Teils 8.5 mm (die Spezifikation des Drehfutters beträgt φ8.5 mm) und die Maßtoleranz wird in 1 Gruppe pro 0.02 mm und insgesamt in 5 Gruppen unterteilt.

2. Schnittparameter anpassen

Das Titanlegierungsmaterial TC6 weist beim Schneiden eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Materialviskosität und einen niedrigen Elastizitätsmodul auf, und das Werkstück neigt zu großen Verformungen.

Beim Schneiden von Titanlegierungen ist die Schnitttemperatur in der Nähe der Schneidkante hoch und das Titanelement ist hochaktiv, wodurch es leicht zu einer chemischen Reaktion mit Sauerstoff kommt, was den Verschleiß der Werkzeugspitze verstärkt. Durch den Vergleich und Test mehrerer Klingenmarken werden die Werkzeug- und Schnittparameter des auf einer CNC-Längsdrehmaschine verarbeiteten TC6-Titanlegierungsmaterials optimiert. Zum Drehen werden Mitsubishi-Sägeblätter verwendet, Modell CCGT09T301M-FS MP9005;

Die Schnittparameter sind Drehzahl n=900U/min und Vorschub f=0.02mm/U.

Nach der Bearbeitung können die Teile den Oberflächenrauheitswert Ra = 1.6 μm und die Geradheit des äußeren Kreises 0.3 mm erreichen, aber nicht die Geradheit des äußeren Kreises 0.1 mm. Gleichzeitig ist es schwierig, die Koaxialität φ 0.2 mm des inneren Lochs zum äußeren Kreis sicherzustellen.

3. Optimieren Sie den Prozessplan

(1) Verformungsrichten Das Richtverfahren ist eine Bearbeitungsmethode zur Beseitigung der radialen Biegung von Wellen, Stangen und Rohrteilen. Die Teile wurden nach dem Tieflochbohren gebogen und verformt, und ein Richtvorgang muss hinzugefügt werden.

Nach dem Tieflochbohren beträgt die zulässige Wandstärke des Außenkreises mehr als 2 mm. Der Monteur verwendet die Druckpunktrichtmethode und die Geradheit des Teils beträgt ≤0.15 mm.

Da die Geradheit des äußeren Kreises nach dem Längsschneiden 0.3 mm beträgt, kann er die Koaxialitätsanforderungen der Zeichnung nicht erfüllen. Daher ist es notwendig, den fein bearbeiteten äußeren Kreis mit φ 5.4 mm zu begradigen. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Wandstärke des Teils nur 0.4 mm. Direktes Drücken auf die Oberfläche des äußeren Kreises des Teils zum Begradigen kann zu einer Oberflächenverformung des Teils führen.

Aus diesem Grund ist eine Richtvorrichtung wie in Abbildung 6 dargestellt aufgebaut. Dabei kommt das Druckpunkt-Richtverfahren zum Einsatz. Das Teil wird zur Positionierung auf eine Doppel-V-förmige Vorrichtung gelegt, und der Druckkopf ist als halbkreisförmiger Bronzering ausgeführt.

Bronze ist weicher als Titanlegierungen. Der Druckkopf wird in einen Torus geändert, um die Kontaktfläche zu vergrößern. Überprüfen Sie vor dem Richten zunächst die Geradheit des äußeren Kreises und markieren Sie den Biegepunkt mit einem roten Stift. Dann richten Sie es gerade. Überprüfen Sie visuell, dass sich am äußeren Kreis des Teils keine Einkerbungen befinden. Überprüfen Sie, ob der äußere Kreis und der innere Lochdurchmesser sowie die Koaxialität des Teils den Anforderungen der Konstruktionszeichnung entsprechen.

(2) Feindrehen des Außenkreises und zusätzlicher Schneidvorgang. Es wird eine Feinbearbeitung des äußeren Kreises des großen Endes φ 8+0.04 +0.03 mm durchgeführt. Der zusätzliche Schneidvorgang ist abgeschlossen und das R0.2-mm-Polieren ist abgeschlossen und die scharfe Kante des großen Endes bleibt erhalten.

Verwenden Sie zunächst den Werkzeughalter des Bearbeitungszentrums zum Spannen. Verwenden Sie die Bogenfläche des Federspannfutters, um das Teil nahe am äußeren Kreis des großen Endes festzuspannen. Durch eine Vergrößerung der Kontaktfläche kann die Klemmverformung reduziert werden. Anschließend spannen Sie den Werkzeughalter auf das selbstzentrierende Spannfutter der CNC-Drehmaschine (siehe Abbildung 7). Verwenden Sie die CNC-Drehmaschine, um den äußeren Kreis des großen Endes φ 8+0.04 +0.03 mm fein zu drehen, und entfernen Sie den zusätzlichen Prozess, um die Gesamtlänge des Teils sicherzustellen. Polieren Sie die linke Endfläche des Teils R0.2 mm und behalten Sie die scharfe Kante bei.

3. Verbesserter Prozessablauf und Verarbeitungseffekt

Der Inhalt der Teilevorbereitung und der CNC-Dreh-Grobbearbeitung bleibt unverändert. Der Tieflochbohrprozess wird in Grob- und Feinbearbeitung unterteilt. Der Lochdurchmesser wird durch φ (4.6 ± 0.05) mm gesteuert, und dann werden die Teile begradigt, um eine Geradheit von 0.15 mm sicherzustellen. Die CNC-Drehen Der Prozess wird hinzugefügt – Drehen des Außenkreises auf φ 8.5 mm, und gleichzeitig wird das Prozess-Innengewinde innerhalb des Prozess-Zusatzlängenbereichs der Teile verarbeitet und die Vorschubstange wird installiert.

Die CNC-Längsschneiddrehmaschine wird zur Feinbearbeitung des äußeren Kreises mit φ 5.4 mm verwendet. Nach dem Längsschneiden wird die Geradheit der Teile auf 0.1 mm begradigt und schließlich wird der zusätzliche Prozess durch die CNC-Drehmaschine entfernt.

Die Teile werden gereinigt und nach zerstörungsfreier Prüfung ins Lager geliefert. Verbesserter Prozessablauf: Materialvorbereitung → CNC-Drehen → Tieflochbohren → Richten → CNC-Drehen → Längsschneidbearbeitung → Richten → CNC-Drehen → Ultraschallreinigung → Fluoreszenzfehlererkennung → Inspektion → rostfreie Versiegelung.

Gemäß dem verbesserten Prozessplan wurden 2 Chargen mit je 60 Teilen verarbeitet und 59 Teile qualifiziert. Die Teile wurden zusammengebaut und überprüft, um die Produktleistungsanforderungen zu erfüllen.

Schlussfolgerung

In diesem Artikel werden die Verarbeitungsschwierigkeiten bei dünnwandigen Teilen aus Titanlegierungen mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis untersucht. Es wird ein sinnvoller Prozessablauf durch Verbesserungsmaßnahmen wie Geräteoptimierung, Prozessverbesserung, Anpassung der Schnittparameter und Verformungsbegradigung untersucht.

Der Schlüssel zur Verarbeitung liegt darin, die Steifigkeit der Teile zu verbessern und das Problem der Teileverformung zu lösen.

Bei Teilen, die der Mittelrahmen nicht klemmen kann, können CNC-Längsschneidegeräte für die Bearbeitung verwendet werden, um das Verformungsproblem zu verbessern, das durch die Schnittkraft bei der herkömmlichen Bearbeitung von Teilen verursacht wird.

Aufgrund der hohen Materialkosten von Titanlegierungsteilen können spezielle Vorschubwerkzeuge entwickelt werden, um die zusätzliche Länge des CNC-Längsschneidprozesses zu reduzieren.

Die Schneidwerkzeuge und Schneidparameter von Titanlegierungsmaterialien können universell mit Teilen aus dem gleichen Material mit guter Steifigkeit verwendet werden, und die Prozessparameter müssen entsprechend an die spezifische Struktur der Ausrüstung und Teile angepasst werden;

Der Richtprozess hat eine verbesserte Wirkung auf die Verformung dünner Wände mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis. Beim Richten nimmt das Werkzeug einen Innenring-Druckkopf an, um die Kontaktfläche zu vergrößern, wodurch das Problem lokaler Größentoleranzen oder optischer Schäden an Teilen gelöst wird.