面向航空航天/醫(yī)療高端需求的鈦合金大單重盤卷絲材機(jī)加精度突破技術(shù)研究——基于三爪同心度調(diào)控、高壓排屑升級及對刀工裝創(chuàng)新的全流程精度保障體系構(gòu)建

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，鈦及鈦合金棒絲材在航天航空?軍工?醫(yī)療等重要領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品要求各項性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的同時，大單重盤卷絲材作為在高端領(lǐng)域的應(yīng)用，除在傳統(tǒng)的力學(xué)性能方面有較高要求外，在盤卷單重?尺寸公差?表面質(zhì)量等方面要求均遠(yuǎn)超常規(guī)的絲材產(chǎn)品?

現(xiàn)有鈦合金盤卷絲材機(jī)加設(shè)備在大單重 (>150kg) 機(jī)加尺寸控制及表面質(zhì)量方面，均無法滿足高端領(lǐng)域鈦合金絲材的工藝要求?該類設(shè)備機(jī)加鈦及鈦合金盤卷絲材后，表面粗糙度無法滿足工藝要求；主機(jī)高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定性不足，機(jī)加效率低下；鈦屑斷屑?排屑效果不佳，易產(chǎn)生積屑瘤?

1、改進(jìn)思路

本項目設(shè)計一種鈦及鈦合金盤卷絲材高精度機(jī)加裝備改進(jìn)及機(jī)加尺寸控制的方法?提高機(jī)加設(shè)備關(guān)鍵部件的裝配精度，實現(xiàn)從絲材線坯到成品盤卷的連續(xù)性高精度機(jī)加，大幅提高產(chǎn)品表面機(jī)加質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)流程及人力資源配置?

2、優(yōu)化方案

本課題主要包括鈦合金盤卷絲材高精度機(jī)加裝備改進(jìn)?機(jī)加尺寸控制，以及對操作中設(shè)備機(jī)加參數(shù)和對刀調(diào)整的相關(guān)研究?

2.1 裝備優(yōu)化部分

(1) 較傳統(tǒng)絲材機(jī)加類設(shè)備，本項目改進(jìn)設(shè)備在保證主機(jī)機(jī)加腔體具備足夠排屑空間的前提下，盡可能縮短前導(dǎo)與中導(dǎo)夾持裝置之間距離，提高機(jī)加時絲材導(dǎo)向穩(wěn)定性?

①前導(dǎo)采用三抓卡盤雙滾輪結(jié)構(gòu)，保證排屑順暢情況下，盡量縮短前導(dǎo)距機(jī)加作業(yè)工位的距離，每個卡爪都設(shè)有可微調(diào)裝置，方便調(diào)整整機(jī)機(jī)加中心線，保證坯料剝削同心度，防止偏剝情況；

②同時縮短中導(dǎo)夾持裝置距離機(jī)加作業(yè)工位的距離，中?后導(dǎo)向夾持裝置采用六組導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)一步精確定位，以保證坯料加工尺寸的精確?

(2) 提高機(jī)加設(shè)備主機(jī)空心主軸軸承裝配精度，實現(xiàn)鈦及鈦合金盤卷絲材機(jī)加刀盤高轉(zhuǎn)速需求?

①軸承選用中高轉(zhuǎn)速角接觸精密配對軸承，采用熱裝工藝，彈性預(yù)緊消除間隙，保證其在冷態(tài)和熱態(tài)時松緊度一致，裝配后主軸端部跳動量要求≤0.01mm;

②主機(jī)采用加強(qiáng)型機(jī)架，滿足最大轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 3000r/min, 車刀線速度可達(dá)到 50m/min?

(3) 提高刀盤機(jī)加排屑效果，實現(xiàn)鈦及鈦合金盤卷絲材機(jī)加尺寸控制?刀盤護(hù)罩上端設(shè)置三組高壓切削液水嘴噴頭，噴頭對準(zhǔn)機(jī)加工位，高壓切削液幫助斷屑及冷卻效果，防止鈦屑堆積形成積屑瘤，提升刀具使用壽命?

2.2 尺寸控制部分

鈦及鈦合金盤卷絲材機(jī)加車刀的選型需根據(jù)機(jī)加材料?尺寸精度控制等有所不同，由于機(jī)加車床刀盤設(shè)計類似，即影響機(jī)加質(zhì)量的因素主要為：刀桿制作精度?墊片調(diào)整厚度及車刀選型?

(1) 高精度盤卷絲材機(jī)加要求機(jī)加后表面粗糙度 Ra≤3.2μm?根據(jù)現(xiàn)有機(jī)加設(shè)備，車刀安裝存在 5° 的傾角，為保證車刀安裝后各組車刀機(jī)加面為同一加工中心線，需對機(jī)加車刀及墊片的整體厚度進(jìn)行測量；

(2) 鈦及鈦合金盤卷絲材機(jī)加車刀的選型采用硬質(zhì)合金車刀，根據(jù)多批次生產(chǎn)物料驗證，帶倒棱車刀普遍適用于硬度較高坯料機(jī)加，可減少鈦合金絲材表面機(jī)加刀紋；不帶倒棱車刀更適用于硬度較低的 β 類坯料?同時，制作專用對刀工裝，可對四組機(jī)加刀桿及車刀安裝尺寸進(jìn)行校對，要求加工面長度及高度誤差控制在 0.03mm 以內(nèi)，以確保機(jī)加效果；

(3) 選擇最優(yōu)的鈦及鈦合金盤卷絲材機(jī)加線速度，刀盤轉(zhuǎn)速?機(jī)加線速度對排屑及機(jī)加絲材表面質(zhì)量具有重要的影響?

增加機(jī)加尺寸在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)絲材機(jī)加尺寸測徑反饋，刀盤自動進(jìn)刀?退刀，保證絲材機(jī)加尺寸精度，并通過目視化管理，操作人員可輕松掌握機(jī)加整體情況?

2.3 機(jī)加調(diào)整部分

由于現(xiàn)在使用的絲材機(jī)加車床基本均為無心車床類型設(shè)備，主軸刀盤設(shè)計基本一致，即影響機(jī)加工作面的因素：刀桿厚度?墊片厚度?車刀厚度?

機(jī)加工作面選擇：機(jī)加棒絲材的中心線位置為最佳?

設(shè)計顯示：無心車床刀盤裝刀位置距機(jī)加中心線尺寸為 27.27mm;

由于車刀安裝存在 5° 的傾角，為保證車刀安裝后 (刀桿 + 墊片 + 車刀厚) 機(jī)加面尺寸為 27.27mm, 理論計算：刀桿厚度一致情況下，墊片厚度為 1.25mm 時，車刀的厚度應(yīng)采用 6.48mm?

例如現(xiàn)使用車刀厚度為 6.4mm, 較理論車刀厚度偏小 0.08mm, 即機(jī)加面片棒絲材中心線較下位置?可以通過調(diào)整墊片厚度，彌補(bǔ)機(jī)加工作面偏低情況?

2.4 對刀調(diào)整部分

2.4.1 坯料矯直

坯料進(jìn)入平立矯時，需緩慢進(jìn)入進(jìn)料壓輪后加緊，通過平立矯直輪過程中進(jìn)行手動壓緊；緩慢退出至進(jìn)料壓輪，手動調(diào)整各矯直輪進(jìn)量，然后進(jìn)行調(diào)刀?

2.4.2 對刀操作流程

(1) 對刀過程中，需多次進(jìn)刀，用于消除刀具安裝間隙誤差；

(2) 對刀時，機(jī)加料頭長度不易過長，以 10cm 為宜；并觀察機(jī)加料頭是否偏剝，如存在，需調(diào)整前導(dǎo)三爪夾持；

(3) 機(jī)加過程中不得隨意倒車，由于機(jī)加過程為微張力，倒車會造成絲材彎曲，從而損傷車刀及刀桿；如需倒車，需先打開抽出壓輪，防止坯料折彎，損傷刀體；

(4) 機(jī)加過程中，操作工需重點(diǎn)注意機(jī)加屑子情況，觀察是否存在折疊屑子存在，如果存在，說明刀桿間屑子堆積，此類情況下可適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速?

2.4.3 三爪同心度調(diào)整

為防止高精度無心車床機(jī)組前導(dǎo)三爪卡盤偏心，保證夾持及機(jī)加中心線位置，提高機(jī)加絲材表面質(zhì)量，減少應(yīng)為偏心問題造成車刀破損等浪費(fèi)情況，提出如下相關(guān)措施 (見表 1)?

表 1 定期檢查及周期

(1) 前導(dǎo)同心度調(diào)整方法

①前導(dǎo)壓輪或滑塊檢查：每班開機(jī)前，檢查壓輪是否存在卡阻，手動旋轉(zhuǎn)壓輪，檢查是否靈活；觀察滑塊是否存在損傷，如存在如上問題，需處理后方可開機(jī)；

②前導(dǎo)壓爪部件檢查：每班開機(jī)前，人工檢查壓爪部件是否松動，固定螺栓牢靠，并通過扳手檢查松緊度，如已松動，需重新調(diào)整對中性后方可開機(jī)；

③前導(dǎo)三爪同心度檢查：定期對三爪同心度進(jìn)行檢查，拆除刀盤刀體，通過中后導(dǎo)夾持樣棒，調(diào)整前導(dǎo)三爪同步進(jìn)退，并通過塞尺檢查壓輪或滑塊與樣棒間隙是否一致?

(2) 中后導(dǎo)同心度調(diào)整方法

準(zhǔn)備工具：百分表?磁力底座?樣棒?后導(dǎo)出口處工裝樣棒套?

①拆除前導(dǎo)前端擋板，松開前導(dǎo)三爪；

②松開液壓夾持，并穿過樣棒；

③松開后導(dǎo)連桿鎖緊螺母；

④使用樣棒套在后端固定樣棒；

⑤液壓夾持中導(dǎo)，用百分表固定到刀盤上，手動旋轉(zhuǎn)一圈，檢查樣棒尺寸波動；

⑥如果存在波動較大，需對中導(dǎo)三處連桿進(jìn)行調(diào)整，直至波動值在 0.05mm 左右；

⑦后導(dǎo)調(diào)整時需通過樣棒套來回滑動，通過樣棒套內(nèi)外尺寸配合調(diào)整連桿；

⑧調(diào)整完畢后夾持中后導(dǎo)，旋轉(zhuǎn)刀盤一圈，檢查百分表波動，小于等于 0.05mm 最佳；

⑨調(diào)整樣棒要求懸掛存放，并定期對樣棒表面進(jìn)行潤滑保養(yǎng)，防止生銹?

2.4.4 常見故障現(xiàn)象及原因分析

(1) 故障現(xiàn)象：中后導(dǎo)夾持不穩(wěn)定

原因分析:①中后導(dǎo)導(dǎo)輪磨損；②中后導(dǎo)連桿絲扣滑絲；③液壓鎖緊裝置連桿導(dǎo)套孔粗糙或銹蝕，阻力過大?

(2) 故障現(xiàn)象：機(jī)加刀紋過深

原因分析:①墊片厚度尺寸不合適；②車刀厚度偏差較大；③刀桿磨損嚴(yán)重；④刀桿安裝不到位，壓刀條未壓緊?

(3) 故障現(xiàn)象：絲材表面劃傷及壓坑

原因分析:①主機(jī)出口未設(shè)置清掃裝置，鈦屑隨坯料帶出后，壓入抽出輪對絲材表面造成壓坑；②抽出輪液壓壓力過大，壓輪壓傷絲材表面；③砂帶拋腔體導(dǎo)管孔徑較大，絲材拋光波動大；④拋光后的粉塵未進(jìn)行有效收集，積攢到砂帶抽出尼龍輪，與成品絲材表面劃傷；⑤折彎機(jī)尼龍壓輪嵌入鈦屑，對絲材表面劃傷；⑥折彎機(jī)出口導(dǎo)向裝置劃傷絲材?收線架尼龍板損壞劃傷絲材?

3、優(yōu)化前后情況對比

優(yōu)化后的鈦及鈦合金絲材機(jī)加設(shè)備較之前同類型鈦合金盤卷絲材機(jī)加設(shè)備機(jī)加性能明顯提升，產(chǎn)品產(chǎn)生滿足相關(guān)工藝要求?

優(yōu)化前：鈦合金盤卷絲材機(jī)加表面粗糙度 Ra≤3.2μm; 車刀使用壽命 1 盤 / 片；機(jī)加效率 6m/min?

優(yōu)化后：鈦合金盤卷絲材機(jī)加表面粗糙度 Ra≤1.0μm; 車刀使用壽命 3 盤 / 片，機(jī)加效率 9m/min?

大單重盤卷絲材機(jī)加效率提升 50%, 機(jī)加表面粗糙度明顯提升，備件消耗量降低 200%?

統(tǒng)計 12613 支盤卷單重，其中 9887 支單重滿足 140±25kg 的要求，占比 78.39%;1890 支盤卷單重 > 165kg, 占比 14.98%;836 支盤卷單重 78~115kg, 占比 6.63%?大單重盤卷物料機(jī)加對刀具磨損程度要求較高，同時又要確保盤卷絲材機(jī)加尺寸前后一致性，通過對裝備優(yōu)化和尺寸控制兩方面的研究，盤卷成品尺寸基本滿足橢圓度≤0.02mm 要求?

4、絲材高精度機(jī)加尺寸控制的市場應(yīng)用

隨著高端制造業(yè)向精細(xì)化?微型化發(fā)展，絲材機(jī)加的尺寸精度控制將成為關(guān)鍵競爭力，尤其在醫(yī)療?半導(dǎo)體和新能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大?在多個高端制造領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，其高精度要求能夠滿足復(fù)雜?微型化及高性能零部件的需求?其主要市場應(yīng)用領(lǐng)域及具體場景包括?

4.1 航空航天與國防

應(yīng)用場景：緊固件絲材?渦輪葉片冷卻孔?航空傳感器部件?導(dǎo)彈導(dǎo)絲等?

精度要求:±0.02mm 以內(nèi)，確保耐高溫?抗疲勞性能?

市場驅(qū)動：輕量化材料 (如鈦合金?鎳基合金) 和復(fù)雜結(jié)構(gòu)需求?

4.2 消費(fèi)電子產(chǎn)品

應(yīng)用場景：手機(jī)外殼?內(nèi)部結(jié)構(gòu)件等?

精度要求：通常需控制在 ±0.03mm, 抗摔?抗刮?抗壓性能?

市場驅(qū)動：主要體現(xiàn)在高端智能手機(jī)和穿戴設(shè)備中?

4.3 醫(yī)療器械與植入物

應(yīng)用場景：心臟支架?骨科植入物 (如脊柱螺釘)?手術(shù)器械?牙科種植體等?

精度要求：通常需控制在 ±0.01mm 以內(nèi)，確保生物相容性和功能性?

市場驅(qū)動：微創(chuàng)手術(shù)普及和個性化醫(yī)療需求增長，推動高精度絲材加工需求?

4.4 精密儀器與光學(xué)

應(yīng)用場景：光纖連接器?激光切割頭噴嘴?精密彈簧?

精度要求：表面粗糙度 Ra<0.4μm, 尺寸公差 ±0.01mm?

市場驅(qū)動：高端光學(xué)設(shè)備和精密機(jī)械的迭代升級?

4.5 汽車工業(yè)

應(yīng)用場景：燃油噴射噴嘴?傳感器探針?電動汽車電池極耳?

精度要求:±0.02mm, 直接影響燃油效率或電池性能?

市場驅(qū)動：新能源汽車對輕量化?高續(xù)航零部件的需求?

4.6 能源與環(huán)保

應(yīng)用場景：燃料電池金屬雙極板?核反應(yīng)堆微型冷卻管?

精度要求：微米級加工以避免流體泄漏或能量損失?

市場驅(qū)動：清潔能源技術(shù) (如氫能) 的快速發(fā)展?

4.7 增材制造 (3D 打印) 配套

應(yīng)用場景：金屬 3D 打印的支撐結(jié)構(gòu)?精密絲材原料 (如鈦絲)?

精度要求：絲材直徑一致性 ±0.01mm, 確保打印層均勻性?

市場驅(qū)動：工業(yè)級 3D 打印向高精度?高強(qiáng)度方向發(fā)展?

5、結(jié)語

在現(xiàn)代制造業(yè)中，絲材機(jī)加尺寸精度控制的重要性愈發(fā)凸顯，已成為眾多行業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素?通過本研究，我們深入剖析了絲材機(jī)加尺寸精度控制的原理?方法以及影響因素，并對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性探究?

研究結(jié)果表明，優(yōu)化裝備結(jié)構(gòu)?采用先進(jìn)的測徑反饋系統(tǒng)和高精度的測量?調(diào)整裝置，能夠有效提升絲材機(jī)加尺寸精度?在實際生產(chǎn)中，合理選擇切削參數(shù)?刀具材料以及加工工藝，對確保尺寸精度的穩(wěn)定性也起著重要作用?絲材機(jī)加尺寸精度控制技術(shù)在航空航天?汽車制造?電子信息等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景?

然而，目前絲材機(jī)加尺寸精度控制技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)?隨著產(chǎn)品精度要求的不斷提高，對加工設(shè)備和工藝的精度要求也日益嚴(yán)苛；復(fù)雜形狀絲材的加工精度控制難度較大，需要進(jìn)一步研發(fā)先進(jìn)的加工技術(shù)和算法?未來，我們需持續(xù)關(guān)注絲材機(jī)加尺寸精度控制技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究，不斷探索新的加工方法和工藝，以應(yīng)對日益增長的高精度加工需求?同時，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化，推動絲材機(jī)加尺寸精度控制技術(shù)在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐?

參考文獻(xiàn)

[1] 沈興東，張鑫。鈦合金可切削性的研究及加工刀具設(shè)計 [J]. 工具技術(shù).2023,(12).DOI:10.3969/j.issn.1000-7008.2003.12.008.

[2] 毛文革。鈦合金的切削加工 [J]. 航空制造技術(shù).2001,(1).64-66.

[3] 周知進(jìn)等。鈦合金切削加工研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J]. 工具技術(shù).2022,56 (10).DOI:10.3969/j.issn.1000-7008.2022.10.001.

[4] 王兵，劉戰(zhàn)強(qiáng)等。鈦合金高質(zhì)高切削加工刀具技術(shù) [J]. 金屬加工 (冷加工).2022,(3).DOI:10.3969/j.issn.1674-1641.2022.03.001.

（注，原文標(biāo)題：鈦及鈦合金大單重盤卷絲材機(jī)加尺寸精度控制的研究）

相關(guān)鏈接