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TC 4チタン合金部品大径穴螺旋フライス工程最適化研究

スパイラルミリング技術に基づいて、チタン合金部品を直交試験および範囲分析を用いて直径19.05mmのスパイラルミリング試験にかけた。 軸方向切削力、チタン合金細孔径と粗さに及ぼす種々の切削パラメータの影響を分析し、最適プロセスパラメータを指標として最適化した。 これに基づいて、切削力、機械加工品質および工具摩耗が穴の数と共に変化することを最適パラメータの下で研究した。 研究は大口径穴加工において、スパイラルミリング技術が効果的に加工品質を改良しそして加工効率を改良することができることを見出した。

航空宇宙産業の発展に伴い、チタン合金の適用はますます広範囲になり、穴あけ精度および表面品質に対する要求はますます高くなっている。 現在、チタン合金は航空宇宙産業において欠くことのできない金属材料であるだけでなく、医療機器および器具、冶金学、造船および他の産業においても広く使用されている。 しかしながら、チタン合金は、高強度、高硬度、低熱伝導率を有し、切削熱が容易に放散されず、深刻な工具摩耗をもたらし、工具の耐用年数に深刻な影響を及ぼす、劣った表面品質、および低い効率をもたらす。 スパイラルミーリング中の工具の動きは、工具の回転、回転、軸送りの3つの側面で構成されています。 工具中心はらせん状の経路にあり、切りくず排出と放熱を促進するためのベルト穴あけプロセスです(図1を参照)。 この技術は軸力を大幅に減少させ、穴あけ加工の品質を向上させ、穴あけ加工効率を向上させることができます。 また、航空業界で好まれている偏心度を調整することで、「フリーサイズ」を簡単に実現できます。

Kangding Companyは切削原理に従って螺旋フライス加工のための特殊工具を研究し、特殊工具の切削効果、刃先と側端の異なる切削作用と工具の寿命を分析した。 工具は、適切な工具角度範囲を決定するために異なる角度パラメータを使用して有限要素二次元シミュレーションを受ける。 スパイラルミリング用の特別なツールは、スパイラルミリング穴の動特性を研究するために設計されました。 E.A. Rahimは、フライスの性能に及ぼすブレードの影響を調べました。 Jamal Ahnmadは、スパイラルミーリングカッターのバックアングルが切削力に大きな影響を与えると指摘しました。 Chatelianらによって研究されたらせんスパイラルミーリングカッター。 切削性能が良い CFRP / Ti6Al4Vプロセスを研究し、大きなピッチフライス加工穴を持つサンドイッチ部品を機械加工することの技術的利点を提案した。 Li Dengwanは均一設計法によりチタン合金の加工パラメータを最適化し、切削効率と表面品質を改善しました。 Chen Ertaoは、切削速度、切削深さ、および歯送りあたりの切削パラメータに基づいて加工パラメータ最適化モデルを確立しました。 Wang Fengchaoは、バリの高さ、開口部のずれ、および出口の粗さに対するさまざまな切削パラメータの影響を調べました。
TC4チタン合金スパイラルミーリング孔の模式図
図1 TC4チタン合金製スパイラルミーリング孔の模式図

航空機の組み立てでは、直径が1/2 "以下の穴の数が最も多いため、スパイラルミリング技術に関する研究は主にここに集中しています。しかしながら、重要な軸受構成要素には、機械加工するのが非常に難しい多数の大きな直径の穴がある。現在、大口径穴加工では、通常、穴あけ、リーマ加工、およびリーマ加工などの複数のプロセスが使用されます。このプロセスは複雑であり、何十もの工具、高い処理コスト、および極めて低い処理効率を必要とし、これは航空機の組み立てにおいて常に困難の1つであった。

例として直径12mmのスパイラルミーリングカッターを取り上げます。 19.05mm(3/4 ")の大口径スパイラルミリングチタン合金のプロセスを直交ミリングと極値解析によって研究した。加工品質に及ぼす種々のパラメータの影響を解析し、最適プロセスパラメータを最適化した。 大きな直径の穴の加工におけるスパイラルミリング穴の適用はまた、航空機の組み立ての効率を改善しそして加工コストを低減するのに非常に重要である。


1。試験装置および試験設計
   表1チタン合金の物性と機械的性質
チタン合金の物性と機械的性質

1.1 試験装置と材料
試験に使用した工具は、コーティングされていない硬質合金スパイラルミーリングカッターであった:直径12mm、加工開口部19.05mm、らせん角35°、すくい角8°、後部角15°、切れ刃数4.乾式切削法。 試験ワーク材料は、厚さ5mm、大きさ120×250mmのチタン合金板であった。 チタン合金の物理的および機械的性質を表1に示す。


マシニングセンタはDMC75Vlinear 5軸CNCマシンです。 切断力は三方キスラー9257Aダイナモメーターにより測定した。 検出された信号はKistler 5007Aチャージアンプによって送信され、データ取得カードによって収集され、Dynowareダイナモメーターソフトウェアによってリアルタイムで表示されます。Wenzel LH65座標測定機を使用して開口部検出を行い、各開口部について4つの開口部を取り、開口部データを得た。粗さ測定はミツトヨ粗さ試験機を用いて行い、工具の摩耗は超深度顕微鏡を用いて観察した。

表2 DMC75Vlinear 5軸CNC工作機械直交テストパラメータ表
DMC75Vリニア5軸CNC工作機械直交実験パラメータ表

1.2 Ti-6Al-4Vプロセス切削試験設計
直径12 mmの工具で3/4(19.05 mm)の穴を加工する。 三因子および三準位直交検定の具体的な実験パラメータを表2に示す。 ここで、ピッチは工具の1回転当たりの下方への送り距離を表し、各歯の接線方向送りは各切削の接線方向切削厚さを表す。 エッジ 各実験セットにおいて2つのウェルを処理し、測定されたパラメータを平均した。


2。結果と分析
2.1切削抵抗に及ぼすさまざまなプロセスパラメータの影響
図2は、z軸方向として定義される切削力の3次曲線の条件下で測定された切削パラメータの第5のセットの変形例である。 同図より、x方向力とy方向力の変動傾向は同じであり、軸力は一定の範囲内で変動していることがわかる。 安定切削段階を有効切削力として選択し、各パラメータの下で測定された切削力を表3に示す。

Ti-6Al-4V切削試験    Ti-TC4切削試験     TA10チタン合金切削試験
n = 1800r / min、ピッチα= 0.25mm、歯当たりの接線送りf = 0.025mm / z
    図2:経時的に測定された切削力信号

図3.範囲解析の結果は軸方向切削力に対するものです。
図から分かるように、ピッチは工具の軸方向切削力に影響する主な要因であり、それに続いて切削方向に歯当たりの送りが続く。 軸方向切削力の最小の影響はスピンドル速度です。
チタン合金の切削抵抗の極端な違い
チタン合金の切削力の極端な違い

表3軸切削力平均化試験結果

軸切削力平均化試験結果
表4.直交テスト開口測定

直交テスト開口測定


2.2アパーチャ精度に対する異なるプロセスパラメータの影響
開口精度は、細孔品質の重要な指標の1つです。 航空機部品の品質と部品の寿命に重要な影響を及ぼし、さまざまなパラメータの下での穴加工の精度が座標測定機によって調べられます(表4を参照)。
開口部の測定結果に基づいて、チタン合金穴加工の許容値はIT5 ‐ IT7の間であると結論付けることができた。 第5グループでは、処理パラメータは、IT5の開口レベルと最小開口誤差を有する。 細孔径に対するプロセスパラメータの影響を範囲分析法によって分析し、得られた極端な差を図4に示す。歯当たりの主軸回転数と接線方向送りは、ボア径に影響を与える主な要因であり、ピッチはボア径にはほとんど影響しません。
細孔のチタン合金部材の極端な違い
図4チタン合金部品の細孔径の極端な違い

2.3チタン合金部品の粗さに対する異なるプロセスパラメータの影響
粗さは、Ti − 6Al − 4Vの表面品質を評価する上で重要な要素である。
航空機の組み立てには厳しい要件があります。 異なるパラメーターの下で得られた細孔壁の粗さを表5に示す。


表5直交テスト粗さ測定
直交試験によるチタン合金部品の粗さ測定
図5 チタン合金部品の粗さの極端な違い
チタン合金部品のスパイラルミリングプロセスにおいて、開口部粗さ値が0.18〜0.42μmであるとき、孔壁仕上げは非常に良好である。 粗さに対する加工パラメータの影響を距離法により分析し、得られた極端な差を図5に示す。穴壁の粗さに影響を与える最も重要な要因は、各歯の接線方向の送りとそれに続くスピンドル速度であり、最小のものはピッチです。

まとめると、軸方向の切削力を減らし、開口誤差を減らし、穴の壁の品質を向上させるためにパラメータが最適化されます。 第5組の加工パラメータの軸方向切削力および開口誤差は最も小さい。 第7組のパラメータは最小の壁粗さを有する。 粗さ値が航空機製造基準よりもはるかに小さく、第5群と第7群との間の差がわずか0.055マイクロメートルであることを考慮すると、第5組のパラメータが大径スパイラルミリング孔の最適加工パラメータとして選択される。

3.加工穴数によるチタン合金部品の大径穴加工品質の変化
上記解析に基づいて、最適加工パラメータの下での加工穴の数による切削力、加工品質および工具摩耗の変化を研究した。
3.1軸方向切削力の変化

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