Pesquisa em tecnologia de usinagem de precisão para placa de cobertura de cavidade de parede fina de 2 mm de liga de titânio Gr5

OPlaca de cobertura de cavidade de parede fina em liga de titânio Gr5é usado para vedação sob pressão, o que impõe altos requisitos de precisão do perfil, planicidade e uniformidade da espessura da parede. A peça com espessura de parede de 2 mm apresenta baixa rigidez estrutural.

A pesquisa nacional e internacional atual sobre componentes de paredes finas de liga de titânio concentra-se principalmente na simulação de corte, trepidação e previsão de tensão residual. O conjunto completo de processos integrados de usinagem de precisão direcionados a esta placa de cobertura de cavidade de 2 mm de espessura possui alto valor de pesquisa em engenharia.

 

 

1. Características estruturais da peça

O objeto de pesquisa é uma placa de cobertura de cavidade em liga de titânio Gr5 recozida, um componente do tipo placa com uma cavidade fechada complexa. A espessura da parede lateral da cavidade é de 2 mm. A peça bruta é forjada em liga de titânio Gr5. Requisitos rigorosos são definidos para tolerância de perfil, planicidade, uniformidade de espessura de parede e rugosidade superficial. A superfície de contato da placa de cobertura serve para vedação; marcas de vibração, arranhões e colapso local são estritamente proibidos.

 

2. Principais dificuldades de usinagem

• Spring-back e deflexão da ferramenta em paredes finas: A parede lateral de 2 mm tem pouca rigidez. Sob força de corte durante o fresamento, ele cede elasticamente, resultando em profundidade de corte insuficiente. O retorno elástico pós-usinagem causa espessura de parede e dimensões de perfil de cavidade fora da tolerância.
• Cortando conversa: A baixa rigidez estrutural e a baixa frequência natural do componente induzem prontamente vibração regenerativa, produzindo marcas de vibração nas paredes laterais, degradando a qualidade da superfície e acelerando o desgaste da ferramenta.
• Deformação induzida por tensão residual: Um grande volume de material é removido na usinagem de desbaste, gerando tensão residual induzida pelo corte. A liberação de tensão após a remoção do acessório leva ao empenamento geral da placa de cobertura e ao nivelamento inaceitável.
• Borda postiça e desgaste da ferramenta: A liga de titânio apresenta alta atividade química em temperaturas elevadas. O calor se concentra na ponta da ferramenta, causando facilmente aresta postiça e desgaste da aresta de corte, resultando em baixa estabilidade dimensional.
• Deformação induzida por fixação: A fixação convencional por placa de pressão rígida gera tensão de compressão local. A peça de parede fina sofre deformação plástica durante a fixação, e o retorno elástico ao desapertar leva a um desvio dimensional.

 

 

1. Rota do Processo

A peça bruta de forjamento Gr5 passa primeiro por um recozimento com alívio de tensão, seguido de pré-fresamento das superfícies de referência. A cavidade é usinada em desbaste por fresamento em camadas de altura constante com uma tolerância unilateral de 0,25-0,3 mm. O desaperto e o envelhecimento são realizados para liberar as tensões de usinagem. O reaperto é realizado para semiacabamento, deixando uma folga unilateral uniforme de 0,08-0,1 mm. O fresamento periférico com deslocamento de contorno é adotado para usinagem de acabamento; usinagem em camadas simétricas é aplicada nas paredes laterais da cavidade para garantir a espessura da parede de 2 mm. A rebarbação e a limpeza ultrassônica são implementadas posteriormente, seguidas de inspeção usando uma máquina de medição por coordenadas e um testador de rugosidade.

 

2. Ferramentas e acessórios

Um mandril a vácuo é empregado para o posicionamento primário, com blocos de batente circundantes para suportar a força de corte lateral. Suportes removíveis de resina/baixo ponto de fusão são encaixados dentro da cavidade e removidos antes da usinagem de acabamento. Os pontos de referência das ferramentas são retificados com precisão; o alinhamento do medidor com mostrador é conduzido para controlar erros de posicionamento, melhorar a rigidez da peça e suprimir vibrações e deflexão da ferramenta.

 

3. Ferramentas de corte

São utilizadas fresas de topo de metal duro com revestimento de TiAlN com passo variável e hélice desigual, apresentando um ângulo de inclinação de 10 graus a 15 graus e grande ângulo de hélice para redução de vibração e desempenho anti-aresta postiça. Uma ferramenta φ6 é usada para usinagem de desbaste e uma fresa de topo de acabamento φ4 para semiacabamento e usinagem de acabamento.

 

4. Parâmetros de Corte e Resfriamento

• Fresamento em desbaste: Velocidade de corte 45-60 m/min, avanço por dente 0,06-0,10 mm/z, profundidade de corte 0,4-0,6 mm, largura radial de corte representando 20%-30% do diâmetro da ferramenta.
• Fresamento de semiacabamento: Velocidade de corte 40-50 m/min, avanço por dente 0,04-0,07 mm/z, profundidade de corte 0,2-0,3 mm.
• Concluir fresamento: Velocidade de corte 30-40 m/min, avanço por dente 0,03-0,05 mm/z, profundidade de corte 0,05-0,1 mm, largura radial de corte representando 5%-10% do diâmetro da ferramenta, de modo a reduzir a deformação elástica de paredes finas.
• Resfriamento: O resfriamento interno de alta pressão combinado com fluido de corte solúvel é aplicado para dissipação de calor e lubrificação para mitigar a deformação térmica.

 

 

• Fresamento simétrico em camadas: Usinagem alternada camada por camada na direção Z para paredes laterais de cavidades. O suporte do material para paredes finas é mantido para equilibrar as forças de corte e reduzir a deformação induzida pela deflexão.
• Liberação de estresse em fases: Solte para liberação de tensão após usinagem de desbaste; operações separadas de desbaste e acabamento. Deixe repousar após o semiacabamento antes do acabamento da usinagem para restringir o empenamento da peça.
• Controle uniforme de subsídios: Garanta uma margem de acabamento consistente através do semiacabamento para evitar desvios na espessura da parede.
• Supressão de conversa: Adote cortadores de passo variável; reduzir a velocidade de corte e a largura radial do corte no fresamento de acabamento para evitar ressonância; implantar suportes auxiliares para aumentar a rigidez.
• Compensação de erros: Teste antecipadamente a magnitude do retorno elástico de paredes finas e aplique uma compensação de perfil menor em programas CAM para melhorar a precisão da espessura da parede.

 

 

O processo mencionado acima é aplicado para usinar a placa de cobertura da cavidade de parede fina de 2 mm de liga de titânio Gr5. Os resultados mostram que a espessura da parede é mantida de forma estável em 2 ± 0,02 mm, a tolerância do perfil atende às especificações, planicidade menor ou igual a 0,03 mm, rugosidade da superfície da parede interna Ra menor ou igual a 0,8 μm, sem marcas de trepidação, arranhões ou arestas postiças. Após desaperto e 72 horas de repouso, a variação dimensional medida na reinspeção é inferior a 0,02 mm, indicando um desempenho favorável no controle da tensão residual.

• Conclusões do teste: Um leve desgaste da ferramenta na usinagem de acabamento causará deslocamento da espessura da parede. Inspeções regulares de ponta e especificações de troca de ferramentas devem ser formuladas para produção em massa. Rebarbas nas bordas tendem a ocorrer após a remoção do suporte; um procedimento de rebarbação flexível deve ser adicionado para proteger as superfícies de vedação.

 

Referências

[1] Wang Tonggang, Cheng Lei, Yang Song. Usinagem CNC de peças de placa de cobertura de cavidade de parede fina em liga de titânio [J]. Mercado de máquinas-ferramenta CNC, 2020.

[2] Chen Guang, Wang Jian. Progresso da pesquisa sobre controle de deformação por usinagem de peças de paredes finas de liga de titânio [J]. Tecnologia de fabricação e máquinas-ferramenta.

[3]Li Yuan. Pesquisa sobre vibração de fresamento e deformação por usinagem de peças de parede fina de liga de titânio TC4[D]. Universidade Shenyang Ligong.

[4]Zhang Hao. Pesquisa sobre regulação de tensão residual para fresamento em baixa temperatura de peças de parede fina de liga de titânio[J]. Tecnologia de fabricação e máquinas-ferramenta.

 

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