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提高應(yīng)變梁加工合格率

2020-3-9 來源：武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所作者：丁立芳，王禹健，欒遠(yuǎn)超

摘要：本文分析了應(yīng)變梁因平面度超差而出現(xiàn)的質(zhì)量問題，通過刀具、加工參數(shù)等方面改進(jìn)來提高其加工質(zhì)量。

關(guān)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(dòng)力電源時(shí)，蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池的性能，對船舶的續(xù)航能力至關(guān)重要。應(yīng)變梁作為蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的一個(gè)重要零件，其加工質(zhì)量的好壞直接影響到該監(jiān)測系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性。

應(yīng)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(qiáng)度高密度小、機(jī)械性能好、韌性和抗蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)[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(yīng)變梁合格率僅為 64.7%，已成為制約產(chǎn)品質(zhì)量和交貨進(jìn)度的瓶頸，圖 1 為應(yīng)變梁的結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖。

圖1 應(yīng)變梁的結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

1 、原因分析

應(yīng)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(yīng)變梁的加工工藝流程圖。

圖 2 應(yīng)變梁的加工工藝流程圖

在加工完成后，要對應(yīng)變梁的尺寸、表面粗糙度、平面度進(jìn)行篩選，以判斷應(yīng)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(yīng)變梁合格。

我們對生產(chǎn)的不合格的 406 件應(yīng)變梁進(jìn)行了調(diào)查，并對其進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，共有三類：平面度超差、尺寸超差和表面粗糙度超差，統(tǒng)計(jì)結(jié)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(yīng)變梁數(shù)量最多，占不合格總數(shù)的 91.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩類應(yīng)變梁。因此，平面度超差是應(yīng)變梁不合格的問題所在，如果能解決此問題，則應(yīng)變梁合格率可大幅提高。

通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)變梁平面度超差是由于切削加工的殘余應(yīng)力引起的變形,對應(yīng)變梁的加工過程進(jìn)行分析,殘余應(yīng)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(yīng)變梁的銑削加工過程中采用的刀具和切削參數(shù)進(jìn)行分析。

1.1 現(xiàn)場試驗(yàn)不同材質(zhì)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(shí)際使用的刀具：硬質(zhì)合金刀具；

3）查閱資料，刀具材質(zhì)對鈦合金的加工變形有較大影響，進(jìn)行工藝試驗(yàn)：

首先使用硬質(zhì)合金刀具加工 50 件應(yīng)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(yīng)變梁，然后測量并記錄平面度達(dá)標(biāo)的應(yīng)變梁數(shù)量，結(jié)果如下表。可以看出，在改變刀具材料后，應(yīng)變梁的變形減小，平面度達(dá)標(biāo)的應(yīng)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(zhì)對問題癥結(jié)影響程度較大。

1.2 現(xiàn)場試驗(yàn)不同切削參數(shù)對平面度的影響

為確認(rèn)切削參數(shù)對應(yīng)變梁切削應(yīng)力的影響，進(jìn)行工藝試驗(yàn)：

1 ）在常用的切削參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速 S=2000r/min，進(jìn)給量 F=200 mm/min，背吃刀量 ap=0.05mm）下加工 50 件應(yīng)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(zhuǎn) 速 S=1600 r/min ，進(jìn) 給量 F=150mm/min，背吃刀量 ap=0.02 mm），同樣加工 50件應(yīng)變梁；

3）加工完成后,測量并記錄應(yīng)變梁的平面度，

結(jié)果如下表。

可以看出，在改變應(yīng)變梁加工過程的切削參數(shù)（包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、背吃刀量）后，應(yīng)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(jié)有較大影響。

經(jīng)過確認(rèn)，最終確定影響應(yīng)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(zhuǎn)速、進(jìn)給量、背吃刀量）。

2 、分析解決

2.1 通過工藝試驗(yàn)確定合適的刀具

分別使用三種不同的刀具：硬質(zhì)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(yīng)變梁，加工完成后測量并記錄應(yīng)變梁的平面度誤差，結(jié)果如下表。可以看出，三種不同的刀具中，第三組加工出的應(yīng)變梁平面度誤差均值最小，相比原來的硬質(zhì)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(yīng)變梁生產(chǎn)操作工藝規(guī)程，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。

2.2 通過正交試驗(yàn)確定合適的切削參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、背吃刀量）

1）試驗(yàn)?zāi)康暮涂疾熘笜?biāo)：目的：通過正交試驗(yàn)法，找出最佳切削參數(shù)組合，達(dá)到降低應(yīng)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(zhuǎn)速、進(jìn)給量和背吃刀量對其驗(yàn)證。考察指標(biāo)：應(yīng)變梁平面度誤差均值。

2）試驗(yàn)因素：經(jīng)分析研究，有三個(gè)因素需確定最佳條件：

a)主軸轉(zhuǎn)速；b)進(jìn)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(shí)際情況，每個(gè)因素可選三個(gè)位級較為合適：a)主軸轉(zhuǎn)速 S（r/min）：A1=2000；A2=1600；A3=1200b)進(jìn)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(shè)計(jì)試驗(yàn)方案：選用 L9（34）正交表安排試驗(yàn)，每組試驗(yàn)加工 50 件應(yīng)變梁，加工完成后測量并記錄應(yīng)變梁平面度，結(jié)果如表 4。

5)試驗(yàn)結(jié)果分析：

a)各因素對結(jié)果影響的重要程度極差 R 最大者，就是對結(jié)果影響程度最大，R 最小則影響程度最小。因此，影響應(yīng)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(yàn)表中可以看到，第 5 號的應(yīng)變梁平面度誤差均值最低，試驗(yàn)結(jié)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(yīng)變梁平面度誤差最佳的切削參數(shù)組合應(yīng)是：A2 B2 C2 趨勢圖如圖4。

d)綜合評定“直接看”與“算一算”結(jié)果一致，表明最佳切削參數(shù)是 A2 B2 C2 。

圖4 應(yīng)變梁平面度均值

5）確定工藝參數(shù)組合

把 A2 B2 C2（主軸轉(zhuǎn)速：1600 r/min；進(jìn)給量：160 mm/ min；背吃刀量 ap：0.05 mm）的工藝組合納入應(yīng)變梁生產(chǎn)工藝守則，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。采用改進(jìn)后的工藝方法加工 590 件應(yīng)變梁，合格率統(tǒng)計(jì)如表 6 所示，應(yīng)變梁合格率達(dá)到了91.2%。

3 、結(jié)論

通過對刀具、加工參數(shù)等方面的改進(jìn)，提高了應(yīng)變梁的加工質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)為同類產(chǎn)品的加工提供了借鑒。

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