Analyse der Bearbeitungstechnologie zur Verformungskontrolle für dünnwandige Titanlegierungskomponenten

Bei dünnwandigen Titanlegierungskomponenten handelt es sich im Allgemeinen um Präzisionsstrukturteile mit einer Wandstärke von 0,5 mm bis 3 mm, geringer struktureller Steifigkeit und hohen Anforderungen an die Konturgenauigkeit. Jedoch,Titanlegierungenzeichnen sich durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit, einen niedrigen Elastizitätsmodul und eine hohe Schnittfestigkeit aus. In Kombination mit der geringen Steifigkeit dünnwandiger Strukturen, die unter Krafteinwirkung zu Verformungen neigen, treten beim CNC-Fräsen und Drehen leicht Probleme wie elastische Rückfederung, Verziehen, Verdrehen und Maßabweichungen auf. Diese Probleme plagen die Branche seit langem mit schlechter Garantie für die Bearbeitungsgenauigkeit, geringer Endproduktausbeute und instabiler Chargenkonsistenz.

 

 

1.Bearbeitungsschwierigkeiten von Material und Struktur

Titanlegierungen weisen eine schlechte Wärmeleitung, einen niedrigen Elastizitätsmodul und eine starke Neigung zur Bildung von Kanten bei hohen Temperaturen auf, was zu Schnittvibrationen und einer Rückfederung des Werkstücks während der Bearbeitung führt. Dünnwandige Komponenten weisen eine geringe Steifigkeit auf und sind anfällig für Mikroverformungen unter Schnittbelastungen. Die Restspannung in geschmiedeten und gewalzten Rohlingen verteilt sich beim Materialabtrag neu, was zu einer Verformung der Teile führt und große Herausforderungen an die Präzisionsbearbeitung stellt.

 

2.Klassifizierung von Kerndeformationsmechanismen

• Durch Schnittkraft hervorgerufene mechanische Verformung: Dünne Wände verbiegen sich unter Schnittlasten und die Rückfederung nach Entlastung führt zu Maßfehlern, die häufig bei dünnen Platten und Seitenwänden auftreten.
• Thermische Verformung durch Schneidwärme: Ungleichmäßige lokale Wärmeausdehnung und -kontraktion erzeugen thermische Spannungen, die eine allgemeine Strukturverformung auslösen.
• Verformung durch Restspannungsabbau: Die Überlagerung der anfänglichen Spannung des Werkstücks und der Bearbeitungsspannung stört das Spannungsgleichgewicht, wenn Material abgetragen wird, was zu einer globalen Verformung des Teils führt.
• Verformung der Spannspannung: Falsche Spannpositionen oder übermäßige Spannkraft quetschen das Werkstück und es kommt zu einer Rückfederung nach dem Lösen der Spannung.

 

 

• Homogenisierung der Rohlingsspannung: Zur Spannungsentlastung werden Titanlegierungsrohlinge einer Hochtemperaturalterung unterzogen. Für hochpräzise Luft- und Raumfahrtkomponenten wird eine kombinierte Behandlung der Alterung bei niedrigen Temperaturen und der Vibrationsalterung eingesetzt.
• Regulierung ungleichmäßiger Bearbeitungszugabe: Eine differenzierte Aufmaßverteilung basierend auf dem Rayleigh-Ritz-Modell gleicht Schnittlasten aus und unterdrückt die Verformung dünner{2}}Wandungen.
• Vorbehandlung der Rohlingsformung: Rohlinge werden nivelliert und poliert, um Oberflächenfehler zu beseitigen, Bezugsgenauigkeit sicherzustellen und Bearbeitungsverformungen zu reduzieren.

 

 

1.Optimierung der Schnittparameter

Für dünnwandige-Teile aus Titanlegierungen wird das Schichtschneiden eingesetzt. Für die Endbearbeitung werden eine geringe Schnitttiefe und eine hohe Spindeldrehzahl gewählt: Die radiale Schnitttiefe beträgt nicht mehr als 5 % des Werkzeugdurchmessers und die einzelne axiale Schnitttiefe reicht von 0,1 mm bis 0,3 mm. Beim Schruppen wird für den Materialabtrag eine mittlere Spindeldrehzahl verwendet, während beim Schlichten eine hohe Spindeldrehzahl und ein niedriger Vorschub zum Einsatz kommen. Während des gesamten Prozesses wird Gleichlauffräsen eingesetzt, um Kaltverfestigung und Verformung zu reduzieren.

 

2.Optimierung von Schneidwerkzeugen und Werkzeugwegen

Es werden Schneidwerkzeuge aus Hartmetall mit großen Spanwinkeln und variablen Spiralwinkeln ausgewählt. Es kommen Trochoidenfräsen und spiralförmiges Tauchschneiden zum Einsatz, wobei symmetrische, geschichtete Werkzeugbahnen von innen nach außen bearbeitet werden. Dadurch wird die Spannungsfreisetzung ausgeglichen, ein Verziehen des Teils verhindert und die Schnittkraft stabilisiert.

 

3.Modernisierung der Kühl- und Schmiertechnik

Die Minimalmengenschmierung (MQL) ersetzt die Flutkühlung, um die Schnitttemperatur wirksam zu senken und thermische Verformungen einzudämmen. Bei Ultrapräzisionskomponenten kann die kryogene Kaltluftkühlung angepasst werden, um die thermische Belastung weiter zu kontrollieren.

 

 

• Spannschemata optimieren: Befolgen Sie die Prinzipien der gleichmäßig verteilten Mehrpunktspannung und der geringen Spannkraft. Die Spannkraft wird durch Simulationstests ermittelt; Die Klemmpunkte sind auf starren Zonen angeordnet, um dünne Wandbereiche zu vermeiden und eine Verformung durch Strangpressen zu verhindern.
• Fügen Sie Hilfsstützen hinzu: Füllwerkzeuge oder Dorne werden an aufgehängten dünnwandigen Strukturen angebracht, um die Steifigkeit zu erhöhen und Biegeschwingungen zu unterdrücken. Stützen und Klemmen können erst gelöst werden, nachdem das Werkstück abgekühlt ist und sich die Spannung stabilisiert hat, um eine Rückfederung zu vermeiden.
• Verbessern Sie die Präzision der Vorrichtungen: Stellen Sie eine hohe Genauigkeit der Positionierungsflächen sicher, um einen festen Sitz zwischen Werkzeug und Werkstücken zu erreichen und ungleichmäßige Spannungen durch Lücken zu vermeiden.

 

 

1.Inter-Stressabbauprozess

Nehmen Sie segmentierte Prozesse an: Grobbearbeitung → Spannungsabbau → Vorschlichten → sekundärer Spannungsabbau → Schlichten. Eine Bearbeitungszugabe von 0,3–0,5 mm wird nach der Grobbearbeitung für den Spannungsabbau bei niedrigen Temperaturen reserviert, und nach dem Vorschlichten wird eine sekundäre Alterung durchgeführt, um Spannungen zu homogenisieren und Verformungen beim Schlichten zu reduzieren.

 

2.Dynamische Verformungsvorhersage- und Kompensationstechnologie

Simulationsmodelle werden verwendet, um Bearbeitungsverformungen vorherzusagen, und genetische Algorithmen werden angewendet, um Werkzeugwege zur Kompensation elastischer und thermischer Verformungen zu optimieren. Die Echtzeit-Prozessregulierung wird durch Online-Überwachung in Kombination mit kontinuierlicher Iteration durch Koordinatenmessgeräte (CMM)-Inspektion realisiert. Die Maßverformung kann innerhalb von 0,005 mm kontrolliert werden, wobei der Prozessfähigkeitsindex CPK für kritische Abmessungen größer oder gleich 1,33 ist.

 

 

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