超大型钛合金航空结构件腹板加工烧伤分析_文琴.pdf

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、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，需要制定刀具使用管理规定，指导刀具的应用和管理：底齿不过中心的可转位新刀具，应对刀具底齿无切削刃的区域（见图5）进行尺寸复查，尺寸应满足现有同类型刀具尺寸的最低使用要求。如：现用于钛合金加工的底齿不过中心的可转位方肩立铣刀JDXTIAY4GNT/32*10*80R3，底齿不过中心即没有切削刃区域为直径DC K20mm，深度HK0.5mm，若其他新刀具此部分尺寸小于该尺寸，则不予使用。图5底齿无切削刃区域示意（3）激光测刀监控测量标准刀具长度作为刀具标准值，在机床调取待用刀具后，加工前将刀具放置在测刀仪两测头之间，应用激光测量系统检测刀具直径与底角，测刀系统硬件如图6所示。将测量值与刀具标准值进行对比，若在刀具使用误差范围表2刀具寿命库示意刀具号寿命/hJDXTIZY8GWF/25*50*220R6250JDXTIZY8GWF/25*50*150R10250JDXTIZY4GNF/20*40*110R3250JDXTIZY4GNF/20*40*70R3250JDXTIZY4GNF/16*24*50R3250JDXTIZY4GNF/12*18*60R3250JDXTIZY4GNF/12*18*50R3250图4刀具容屑空间2.2mm2023年 第2期 冷加工82智能制造 Intelligent Manufacturing内则刀具完好，可继续加工；若超出刀具标准值一定范围，则测刀系统发出报警，提醒操作者刀具不满足要求，需更换刀具，避免因刀具错误或破损发生工件质量问题。图6测刀系统硬件3.2 监控预警系统技术管理（1）监控系统学习采样在学习采样阶段，工件首次加工时，若监控系统发现无当前监控号段学习数据，则通过采集首件加工过程中的功率数据，作为该监控号段的学习数据。（2）监控系统加工监控预警数控加工过程中，监控系统发现当前监控号段有学习数据时，通过采样学习数据，设置相对应的监控阈值线（见图7）。一般情况下，Wear（磨损）监控线设置较低的监控阈值，在学习数据的基础上放大30%，允许加工过程中实时功率数据超过该阈值线持续2s，超过2s后实施报警停机；Break（破损）监控线在学习数据的基础上放大50%，允许加工过程中实时功率数据超过该阈值线1s，超过1s后触发报警停机功能；Overload（过载）报警线设置较高的监控阈值，在学习数据的基础上放大一倍，加工过程中实时功率数据一旦超过该阈值线立刻报警停机。图7 监控阈值线（3）监控系统报警处置系统出现监控报警时，若刀具停止在工件上，需对加工过程进行分析，检查刀具或工件的加工状态，若刀具或工件出现故障，须通知相关人员进行现场检查确认。4 应用验证为验证优化控制策略对超大型钛合金框类工件腹板加工烧伤的效果，在某数控设备上以加工的30项超大型钛合金框类工件作为对象开展了应用验证，具体情况见表3。表3验证情况序号质量编号交付时间烧伤情况16X0152021/8/13无烧伤27X0212021/8/13无烧伤37X0062021/8/13无烧伤47X0032021/8/19无烧伤56X0172021/8/19无烧伤67X0022021/8/19无烧伤77X0052021/8/30无烧伤87X0072021/8/30无烧伤95P0202021/9/4无烧伤107X0222021/9/4无烧伤117X0232021/9/4无烧伤127X0082021/9/18无烧伤137X0242021/9/18无烧伤146X0202021/9/26无烧伤157X0102021/9/26无烧伤167X0262021/9/26无烧伤177X0042021/10/9无烧伤187X0092021/10/14无烧伤197X0132021/10/14无烧伤207X0122021/10/29无烧伤217X0282021/10/29无烧伤227X0182021/11/18无烧伤237X0192021/11/18无烧伤247X0252021/11/18无烧伤257X0272021/12/1无烧伤267X0312021/12/1无烧伤277X0012021/12/9无烧伤287X0162021/12/9无烧伤297X0292021/12/9无烧伤307X0372021/12/9无烧伤由表3统计的某超大型钛合金框类工件采用优化策略后的腹板加工烧伤情况可以看出，实施本文提出的优化控制策略后，未发生由于腹板加工烧伤导致的工件故障。另外，设备误报警次数由208次/年锐减至23次/年。由此可见，本文提出的超大型钛合金框类工件腹板加工烧伤优化策略对腹板加工烧伤有显著的改善效果。5 结束语结合超大型钛合金框类工件腹板加工烧伤分析，得出结论如下。2023年 第2期 冷加工83智能制造 Intelligent Manufacturing1）超大型钛合金框类工件腹板加工烧伤根本原因是刀具使用与加工过程监控失效。2）设计安装激光测刀硬件系统，建立刀具寿命库，规范刀具使用管理，特别针对刀具底部无切削能力的容屑空间进行规范管理。3）改进监控预警系统报警处置模块，规范监控预警系统管理，通过监控加工过程中的功率变化，从技术上避免刀具破损等带来的切削异常与工件质量问题，消除机床监控预警系统误报警的情况，使监控过程更高效、稳定且可靠。4）实施优化控制策略后，机床误报警次数由208次/年减少为23次/年，且未发生腹板烧伤故障，由此可见本文提出的优化策略对腹板加工烧伤有显著控制效果。参考文献：1 宋戈，姜振喜，李卫东，等.基于液氮低温冷却的钛合金铣削技术研究J.制造技术与机床，2020（7）：22-26.2 高东强，曾行军，何乃如，等.低温切削技术在难加工材料加工中的应用J.制造技术与机床，2020（6）：39-43.3 易湘斌，芮执元，李宝栋，等.不同冷却润滑条件下TB6钛合金高速切削表面完整性研究J.润滑与密封，2018，43（11）：36-41.4 许帅.航空发动机钛合金叶片抛光烧蚀问题解决措施J.中国新技术新产品，2014（6）：106.5 朱欢欢，李厚佳，张利华，等.切入式磨削烧伤仿真预测与控制方法研究J.金刚石与磨料磨具工程，2019，39（5）：44-49.6 胥军，卢文壮，王晗，等.TC4-DT钛合金磨削表面特性及其摩擦磨损性能J.航空学报，2014，35（2）：567-573.7 吴明杰，唐恒.浅谈Artis刀具监控在实际生产中的应用J.装备制造技术，2017（4）：106-108.8 贺毅.ARTIS在航空制造中的应用J.制造技术与机床，2014（4）：148-151.9 朱绍维，李卫东，尚江，等.ARTIS刀具监控系统在复杂铣削中的应用J.制造业自动化，2018，40（9）：6-8，13.10 朱绍维，李卫东，汤立民，等.ARTIS刀具监控系统在航空结构件铣削加工中的应用J.中国机械工程，2016，27（15）：2040-2043.11 卢剑峰.因缘法与5why法J.企业管理，2015（5）：35.202212122022年11月，各地区各部门持续推进稳经济一揽子政策和接续措施全面落地见效，有效发挥政策性开发性金融工具作用，推进重大项目建设，加快设备更新改造，加大民营经济支持力度，投资保持稳定增长。111月，全国固定资产投资（不含农户）同比增长5.3%。制造业投资稳定增长各方面积极支持重点领域设备更新改造，推动扩大制造业中长期贷款投放，强化投资要素保障，促进制造业投资较快增长。111月，制造业投资同比增长9.3%，快于全部固定资产投资4.0个百分点。其中，电气机械和器材制造业投资增长41.4%。同时，顺应经济升级发展需要，制造业企业加大设备更新改造力度，带动投资增长。111月，固定资产投资保持稳定增长制造业技改投资同比增长9.1%，占全部制造业投资的比重为40.9%。高技术产业投资快速增长随着我国经济发展水平提高，产业升级发展态势明显，高技术产业投资增势良好。111月，高技术产业投资同比增长19.9%，比全部投资增速高14.6个百分点。以电子、医药为代表的高技术制造业快速发展，相关投资大幅增加。111月，高技术制造业投资同比增长23.0%，其中，电子及通信设备制造业投资增长28.2%，医疗仪器设备及仪器仪表制造业投资增长28.3%，计算机及办公设备制造业投资增长12.8%。（来源：中国机械工业经济运行与市场分析）