超大型鈦合金航空結(jié)構(gòu)件腹板加工燒傷分析

以某型號超大型鈦合金框類工件為研究對象，對腹板加工燒傷問題進(jìn)行原因分析與控制研究。從現(xiàn)場操作、工藝方法、刀具應(yīng)用與機(jī)床監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行分析，應(yīng)用5why分析法得到根本原因為刀具設(shè)計與監(jiān)控預(yù)警管理缺陷。設(shè)計安裝了激光測刀系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測機(jī)床載荷提升監(jiān)控有效性、規(guī)范刀具結(jié)構(gòu)與壽命管理優(yōu)化的技術(shù)方法，對生產(chǎn)現(xiàn)場工件加工過程實行穩(wěn)定有效監(jiān)控。結(jié)果表明，實施優(yōu)化策略后能夠避免工件加工燒傷，對航空鈦合金高速穩(wěn)定加工具有重要的工程應(yīng)用價值。1

序言鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和耐熱性高等優(yōu)良的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。與鋁合金材料相比，鈦合金的熱導(dǎo)率低，變形系數(shù)小且化學(xué)活性高，是一種典型的難加工材料，其切削加工的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在刀具吸收的切削熱太多，導(dǎo)致刀具磨損加快甚至破損[1-6]。通過技術(shù)及管理手段將刀具加工信息及時反饋并預(yù)警，對刀具現(xiàn)場加工過程中的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[7-10]。因此，本文針對復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)件加工燒傷失效的影響進(jìn)行分析，并對不同加工工況的工程應(yīng)用展開研究，特別是腹板加工燒傷典型問題，以鈦合金框類航空結(jié)構(gòu)件腹板燒傷情況作為考察對象，通過刀具使用與加工過程監(jiān)控等技術(shù)管理手段，實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場超大型鈦合金框類工件燒傷質(zhì)量問題的進(jìn)一步穩(wěn)定控制，對提高航空制造業(yè)整體技術(shù)水平具有重要工程應(yīng)用意義。2

原因剖析大型臥式機(jī)床在加工某超大框類工件精銑腹板時，一處框格腹板加工燒傷，范圍106mm×104mm×2.7mm（長×寬×深），工件材料為TC4，毛坯價值超過100萬元。工件一處框格腹板加工燒傷（見圖1），刀桿底部有熔融粘接痕跡。圖1零件腹板燒傷區(qū)域2.1根本原因剖析5why分析法是一種診斷性技術(shù)，被用來識別和說明因果關(guān)系鏈，避開主觀假設(shè)和邏輯陷阱，找到問題的根源，從根源著手去改善問題[11]。應(yīng)用5why分析法對大型鈦合金框類工件腹板加工燒傷問題進(jìn)行深度剖析，流程見表1，得到根本原因是：刀具產(chǎn)生磨損、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷、缺少刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)評價規(guī)范與機(jī)床監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)管理規(guī)范。表15why法分析流程2.2刀具原因分析刀具為可轉(zhuǎn)位刀具JDXTIAY4GNT/32*10*80R3，直徑32mm，刃長10mm，工作長度80mm，底角R3mm，4齒，容屑深度為0.7mm，刀片材質(zhì)為硬質(zhì)合金，刀桿材質(zhì)為鋼件，加工對象為鈦合金。故障發(fā)生時刀桿底部有熔融粘接痕跡，有一處約4mm×6mm的積屑瘤，積屑瘤頂部已磨平至與刀尖等高，刀具一刀齒內(nèi)側(cè)有缺損，如圖2所示。圖2刀具損傷根據(jù)程序仿真，故障區(qū)域與機(jī)床監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出報警的時間相符，此處設(shè)備功率最大達(dá)到20%（通常功率為5%～10%）。操作者檢查時刀具在工件上未抬刀，積屑瘤隱藏在刀具底部，而刀具周齒無缺損，所以未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)分析，刀具發(fā)生損傷的主要原因如下。（1）刀具容屑空間不足從更換新刀具開始到發(fā)現(xiàn)故障，該刀具已加工了約180min（在使用壽命內(nèi)），刀具加工前確認(rèn)無破損，在加工過程中刀齒底角R3mm發(fā)生少量破損，造成切屑形狀異常，進(jìn)而導(dǎo)致切屑排出不暢，進(jìn)入刀具底部。刀具底部無切削能力，而且刀具容屑空間僅0.7mm，切屑與工件腹板摩擦升溫，在刀具底部堆積形成積屑瘤，工件被燒傷。刀具關(guān)鍵參數(shù)包括加工材料、齒數(shù)、工作長度、刃長、底角R和刀具直徑，未考慮到可轉(zhuǎn)位刀具底部容屑空間對產(chǎn)品質(zhì)量造成的潛在風(fēng)險，因此未對容屑空間提出具體要求。（2）刀具切削穩(wěn)定性差刀具材料問題、過度使用及切削力不穩(wěn)定均可能造成刀具破損。根據(jù)刀具實物故障調(diào)查，刀具出廠和驗收均未顯示材料存在問題。刀具平均使用壽命為320min，而實際刀具加工時間為180min，在刀具使用壽命范圍內(nèi)，不存在過度使用的情況。由于鈦合金屬于難加工材料，加之相同工件熱處理后變形的狀態(tài)和粗加工后的余量存在差異，在加工過程中變形、讓刀等原因會造成局部切削穩(wěn)定性不足的情況，自身的硬度導(dǎo)致刀具磨損快，規(guī)律性差，所以刀具加工的切削穩(wěn)定性較差。2.3監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)分析加工所使用的監(jiān)控系統(tǒng)屬于新技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)仍處在不斷的更新中，相關(guān)的制度和規(guī)范尚不完善。該系統(tǒng)一直存在誤報警的情況，其主要原因為系統(tǒng)學(xué)習(xí)不成功。加工首件工件時，系統(tǒng)會進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，收集加工狀態(tài)，設(shè)定監(jiān)控極限值，但只要存在加工暫停，系統(tǒng)便認(rèn)為學(xué)習(xí)結(jié)束，再次啟動系統(tǒng)時，系統(tǒng)便進(jìn)入監(jiān)控階段。這時的加工沒有執(zhí)行學(xué)習(xí)，未設(shè)定極限值，當(dāng)后續(xù)加工該類工件時，程序運(yùn)行到學(xué)習(xí)暫停段位后，系統(tǒng)檢測出負(fù)載，由于當(dāng)前無極限值，系統(tǒng)檢測認(rèn)為過載，產(chǎn)生報警，該類報警屬于誤報警信息。在已有的加工規(guī)范中，對于正常報警和誤報警的區(qū)分、消除報警的規(guī)范性操作未進(jìn)行有效說明。系統(tǒng)報警后，操作者一方面未對刀具整體進(jìn)行檢查，只檢查了刀具周齒，忽略了底齒部位；另一方面在處理機(jī)床報警時，無法直接獲取有效信息，判斷報警的具體原因，只能憑借個人經(jīng)驗及外觀檢查結(jié)果判定為誤報警，后消除報警繼續(xù)加工，導(dǎo)致系統(tǒng)監(jiān)控失效。系統(tǒng)監(jiān)控過程如圖3所示。圖3系統(tǒng)監(jiān)控過程該問題暴露出在該系統(tǒng)應(yīng)用過程中存在技術(shù)不成熟和管理紕漏的問題，對操作者應(yīng)采取的應(yīng)對措施未作出規(guī)范，導(dǎo)致此質(zhì)量問題未被及時發(fā)現(xiàn)，從而造成質(zhì)量故障，導(dǎo)致高價值工件報廢。3

優(yōu)化策略3.1刀具結(jié)構(gòu)與管理優(yōu)化（1）刀具壽命管理建立并定時更新刀具壽命庫（見表2），包含刀具適用的切削環(huán)境，刀具適用的壽命范圍，避免刀具破損造成產(chǎn)品故障。如果發(fā)生連續(xù)5把刀具在壽命期內(nèi)損壞的情況，則立即核查刀具壽命及適用環(huán)境，更新刀具壽命表，且刀具壽命至少每年度更新一次。表2刀具壽命庫示意（2）刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化故障前使用的刀具容屑空間原為1.5mm，后來供應(yīng)商將刀具容屑空間更改為0.7mm，而刀具庫中另一廠家生產(chǎn)的刀具容屑空間為2.2mm（見圖4）。兩種容屑空間不同的刀具，卻采用同一刀具號進(jìn)行管理，充分暴露出刀具管理過程中未充分識別刀具容屑空間對加工的影響。圖4刀具容屑空間2.2mm為促進(jìn)刀具使用的科學(xué)性、合理性和規(guī)范化，提高刀具加工效率，降低刀具損耗，減少刀具使用過程中的質(zhì)量故障，需要制定刀具使用管理規(guī)定，指導(dǎo)刀具的應(yīng)用和管理：底齒不過中心的可轉(zhuǎn)位新刀具，應(yīng)對刀具底齒無切削刃的區(qū)域（見圖5）進(jìn)行尺寸復(fù)查，尺寸應(yīng)滿足現(xiàn)有同類型刀具尺寸的最低使用要求。如：現(xiàn)用于鈦合金加工的底齒不過中心的可轉(zhuǎn)位方肩立銑刀JDXTIAY4GNT/32*10*80R3，底齒不過中心即沒有切削刃區(qū)域為直徑DCK＝20mm，深度HK＝0.5mm，若其他新刀具此部分尺寸小于該尺寸，則不予使用。圖5底齒無切削刃區(qū)域示意（3）激光測刀監(jiān)控測量標(biāo)準(zhǔn)刀具長度作為刀具標(biāo)準(zhǔn)值，在機(jī)床調(diào)取待用刀具后，加工前將刀具放置在測刀儀兩測頭之間，應(yīng)用激光測量系統(tǒng)檢測刀具直徑與底角，測刀系統(tǒng)硬件如圖6所示。將測量值與刀具標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，若在刀具使用誤差范圍內(nèi)則刀具完好，可繼續(xù)加工；若超出刀具標(biāo)準(zhǔn)值一定范圍，則測刀系統(tǒng)發(fā)出報警，提醒操作者刀具不滿足要求，需更換刀具，避免因刀具錯誤或破損發(fā)生工件質(zhì)量問題。圖6測刀系統(tǒng)硬件3.2監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)管理（1）監(jiān)控系統(tǒng)學(xué)習(xí)采樣在學(xué)習(xí)采樣階段，工件首次加工時，若監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)無當(dāng)前監(jiān)控號段學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，則通過采集首件加工過程中的功率數(shù)據(jù)，作為該監(jiān)控號段的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。（2）監(jiān)控系統(tǒng)加工監(jiān)控預(yù)警數(shù)控加工過程中，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前監(jiān)控號段有學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)時，通過采樣學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，設(shè)置相對應(yīng)的監(jiān)控閾值線（見圖7）。一般情況下，Wear（磨損）監(jiān)控線設(shè)置較低的監(jiān)控閾值，在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上放大30%，允許加工過程中實時功率數(shù)據(jù)超過該閾值線持續(xù)2s，超過2s后實施報警停機(jī)；Break（破損）監(jiān)控線在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上放大50%，允許加工過程中實時功率數(shù)據(jù)超過該閾值線1s，超過1s后觸發(fā)報警停機(jī)功能；Overload（過載）報警線設(shè)置較高的監(jiān)控閾值，在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上放大一倍，加工過程中實時功率數(shù)據(jù)一旦超過該閾值線立刻報警停機(jī)。圖7

監(jiān)控閾值線（3）監(jiān)控系統(tǒng)報警處置系統(tǒng)出現(xiàn)監(jiān)控報警時，若刀具停止在工件上，需對加工過程進(jìn)行分析，檢查刀具或工件的加工狀態(tài)，若刀具或工件出現(xiàn)故障，須通知相關(guān)人員進(jìn)行現(xiàn)場檢查確認(rèn)。4應(yīng)用驗證為驗證優(yōu)化控制策略對超大型鈦合金框類工件腹板加工燒傷的效果，在某數(shù)控設(shè)備上以加工的30項超大型鈦合金框類工件作為對象開展了應(yīng)用驗證，具體情況見表3。表3驗證情況由表3統(tǒng)計的某超大型鈦合金框類工件采用優(yōu)化策略后的腹板加工燒傷情況可以看出，實施本文提出的優(yōu)化控制策略后，未發(fā)生由于腹板加工燒傷導(dǎo)致的工件故障。另外，設(shè)備誤報警次數(shù)由208次/年銳減至23次/年。由此可見，本文提出的超大型鈦合金框類工件腹板加工燒傷優(yōu)化策略對腹板加工燒傷有顯著的改善效果。5結(jié)束語結(jié)合超大型鈦合金框類工件腹板加工燒傷分析，得出結(jié)論如下。1）超大型鈦合金框類工件腹板加工燒傷根本原因是刀具使用與加工過程監(jiān)控失效。2）設(shè)計安裝激光測刀硬件系統(tǒng)，建立刀具壽命庫，規(guī)范刀具使用管理，特別針對刀具底