提高應變梁加工合格率
2020-3-9 來源： 武漢船用電力推進裝置研究所 作者：丁立芳，王禹健，欒遠超
摘 要： 本文分析了應變梁因平面度超差而出現(xiàn)的質量問題，通過刀具、加工參數(shù)等方面改進來提高其加工質量。
關鍵詞：平面度 刀具 加工參數(shù)
0 引言
蓄電池作為船舶航行的動力電源時，蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)控蓄電池的性能，對船舶的續(xù)航能力至關重要。應變梁作為蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要零件，其加工質量的好壞直接影響到該監(jiān)測系統(tǒng)測量的準確性。
應變梁采用 0.5 mm 厚 TC1 鈦合金板加工而成，鈦合金板雖然具有強度高密度小、機械性能好、韌性和抗蝕性能好等優(yōu)點[1]，但鈦合金的可加工性差，切削加工困難，加工易變形。我公司生產(chǎn)的應變梁合格率僅為 64.7%，已成為制約產(chǎn)品質量和交貨進度的瓶頸，圖 1 為應變梁的結構及實物圖。
圖1 應變梁的結構及實物圖
1 、原因分析
應變梁的加工過程主要由下料、線切割、鉗、數(shù)控銑、篩選等五大工序組成，圖 2 為應變梁的加工工藝流程圖。
圖 2 應變梁的加工工藝流程圖
在加工完成后，要對應變梁的尺寸、表面粗糙度、平面度進行篩選，以判斷應變梁是否滿足要求，如果尺寸、表面粗糙度及平面度等參數(shù)均滿足要求，則應變梁合格。
我們對生產(chǎn)的不合格的 406 件應變梁進行了調查，并對其進行了分類統(tǒng)計，共有三類：平面度超差、尺寸超差和表面粗糙度超差，統(tǒng)計結果如表所示。
圖3 不合格分類餅分圖
通過餅分圖可以看出，平面度超差的應變梁數(shù)量最多，占不合格總數(shù)的 91.4%，遠遠高于其他兩類應變梁。因此，平面度超差是應變梁不合格的問題所在，如果能解決此問題，則應變梁合格率可大幅提高。
通過調查研究發(fā)現(xiàn),應變梁平面度超差是由于切削加工的殘余應力引起的變形,對應變梁的加工過程進行分析,殘余應力主要是在銑削加工過程產(chǎn)生的,其余基本可以忽略，因此我們對應變梁的銑削加工過程中采用的刀具和切削參數(shù)進行分析。
1.1 現(xiàn)場試驗不同材質刀具對平面度的影響
1）查工藝文件：工藝文件中沒有明確規(guī)定使用何種刀具；
2）加工現(xiàn)場實際使用的刀具：硬質合金刀具；
3）查閱資料，刀具材質對鈦合金的加工變形有較大影響，進行工藝試驗：
首先使用硬質合金刀具加工 50 件應變梁，然后在其他條件都不變的情況下，改變刀具材料，換成工具鋼刀具，同樣加工 50 件應變梁，然后測量并記錄平面度達標的應變梁數(shù)量，結果如下表。可以看出，在改變刀具材料后，應變梁的變形減小，平面度達標的應變梁數(shù)量增加了 12.9%,平面度超差問題得到一定程度解決，表明刀具材質對問題癥結影響程度較大。
1.2 現(xiàn)場試驗不同切削參數(shù)對平面度的影響
為確認切削參數(shù)對應變梁切削應力的影響，進行工藝試驗：
1 ）在常用的切削參數(shù)（主軸轉速 S=2000r/min，進給量 F=200 mm/min，背吃刀量 ap=0.05mm）下加工 50 件應變梁；
2）在其他條件都不變的情況下，改變切削參數(shù) （ 主 軸 轉 速 S=1600 r/min ， 進 給 量 F=150mm/min，背吃刀量 ap=0.02 mm），同樣加工 50件應變梁；
3）加工完成后,測量并記錄應變梁的平面度，
結果如下表。
可以看出，在改變應變梁加工過程的切削參數(shù)（包括主軸轉速、進給量、背吃刀量）后，應變梁的變形減小，平面度誤差降低了 13.6%，平面度超差問題得到一定程度解決，表明切削參數(shù)對問題癥結有較大影響。
經(jīng)過確認，最終確定影響應變梁平面度超差的主要原因是：刀具選材不合適，切削參數(shù)不合適（包括主軸轉速、進給量、背吃刀量）。
2 、分析解決
2.1 通過工藝試驗確定合適的刀具
分別使用三種不同的刀具：硬質合金刀具、工具鋼刀具、Fraisa 牌 TX 系列刀具，在相同的條件下，分別加工 100 件應變梁，加工完成后測量并記錄應變梁的平面度誤差，結果如下表。可以看出，三種不同的刀具中，第三組加工出的應變梁平面度誤差均值最小，相比原來的硬質合金刀具，平面度誤差降低了 13.1%，表明Fraisa 牌 TX 系列刀具加工的效果最好，可以有
效減小變形，改善平面度超差問題。因此將 Fraisa牌 TX 系列刀具納入應變梁生產(chǎn)操作工藝規(guī)程，指導現(xiàn)場生產(chǎn)。
2.2 通過正交試驗確定合適的切削參數(shù)（主軸轉速、進給量、背吃刀量）
1）試驗目的和考察指標：目的：通過正交試驗法，找出最佳切削參數(shù)組合，達到降低應變梁平面度誤差、提高加工合格率的目的[3]；方法：分別選擇不同的主軸轉速、進給量和背吃刀量對其驗證。考察指標：應變梁平面度誤差均值。
2）試驗因素：經(jīng)分析研究，有三個因素需確定最佳條件：
a)主軸轉速；b)進給量 c)背吃刀量。
3）選位級、制定因素位級表：根據(jù)工藝分析和具體實際情況，每個因素可選三個位級較為合適：a)主軸轉速 S（r/min）：A1=2000；A2=1600；A3=1200b)進給量 F（mm/min）： B1=200；B2=160；B3=120c)背吃刀量 ap（mm）：C1=0.08；C2=0.05；C3=0.02
4）設計試驗方案：選用 L9（34）正交表安排試驗，每組試驗加工 50 件應變梁，加工完成后測量并記錄應變梁平面度，結果如表 4。
5)試驗結果分析：
a)各因素對結果影響的重要程度極差 R 最大者，就是對結果影響程度最大，R 最小則影響程度最小。因此，影響應變梁平面度的因素重要程度次序是 A、B、C。b)直接看從試驗表中可以看到，第 5 號的應變梁平面度誤差均值最低，試驗結果最好，其切削參數(shù)組合為：A2 B2 C2。c)算一算從位級之和可以看出，降低應變梁平面度誤差最佳的切削參數(shù)組合應是：A2 B2 C2 趨勢圖如圖4。
d)綜合評定“直接看”與“算一算”結果一致，表明最佳切削參數(shù)是 A2 B2 C2 。
圖4 應變梁平面度均值
5）確定工藝參數(shù)組合
把 A2 B2 C2（主軸轉速：1600 r/min；進給量：160 mm/ min；背吃刀量 ap：0.05 mm）的工藝組合納入應變梁生產(chǎn)工藝守則，指導現(xiàn)場生產(chǎn)。采用改進后的工藝方法加工 590 件應變梁，合格率統(tǒng)計如表 6 所示，應變梁合格率達到了91.2%。
3 、結論
通過對刀具、加工參數(shù)等方面的改進，提高了應變梁的加工質量，降低了生產(chǎn)成本，同時為同類產(chǎn)品的加工提供了借鑒。
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