鈦合金芯軸車(chē)削加工工藝的改進(jìn)

蘇文瑛 ，劉玲玲 ，夏升旺

(1. 河南工學(xué)院 機(jī)械工程系，河南 新鄉(xiāng) 453003；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

鈦合金因其具有高強(qiáng)度重量比、耐腐蝕、強(qiáng)耐熱性等特點(diǎn)，被廣泛用于航空航天、汽車(chē)、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域。但同時(shí)鈦合金具有導(dǎo)熱性差、高溫化學(xué)活性大、彈性模量低，與其它金屬材料摩擦系數(shù)大等特性，使其在切削加工時(shí)，存在刀具前刀面單位面積承受切削力大、切削溫度高、粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重、工件表面粗糙度差、易造成刀具快速磨損或破損等缺陷[1-4]。

國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者對(duì)于鈦合金的加工方面做了多方面的研究，但因航空航天業(yè)一直是鈦合金最主要的消費(fèi)領(lǐng)域，鈦合金在航空工業(yè)中主要用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)的隔框、蒙皮和翼梁，發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片和葉盤(pán)，故針對(duì)用于飛機(jī)的薄壁件、曲面件研究較多，但針對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)鈦合金車(chē)削加工研究較少。在實(shí)際加工中，鈦合金通常是在低速、低效和大量使用冷卻液的條件下進(jìn)行加工的[5-6]。

本文以某廠鈦合金芯軸的加工為例，該軸屬細(xì)長(zhǎng)軸，傳統(tǒng)加工方法導(dǎo)致工件不合格，且刀具磨損嚴(yán)重，通過(guò)分析其加工難點(diǎn)及原工藝的缺點(diǎn)，經(jīng)多次鈦合金車(chē)削加工試驗(yàn)，通過(guò)合理選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)并優(yōu)化切削參數(shù)，保證了鈦合金芯軸加工質(zhì)量、減小了車(chē)削變形和刀具磨損。

1 零件特征分析及加工難點(diǎn)

某公司加工一種設(shè)備上的零件，如圖1所示。該零件為鈦合金材料，外圓為φ15×160mm。表面粗糙度Ra為1.6μm。φ12的密封槽寬度為25mm。同軸度要求為0.012mm。圖左邊外圓為φ15×183，表面粗糙度Ra為3.2μm。工件總長(zhǎng)為378mm。

圖1 鈦合金芯軸

根據(jù)加工特點(diǎn)分析，該零件加工存在以下難點(diǎn)：

(1)當(dāng)工件長(zhǎng)度與直徑之比大于20時(shí)，即為細(xì)長(zhǎng)軸零件。該工件長(zhǎng)徑比達(dá)25.2。細(xì)長(zhǎng)軸受切削力，自重和旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力的作用，會(huì)產(chǎn)生彎曲，振動(dòng)，嚴(yán)重影響圓柱度和表面粗糙度，加工難度非常高[7]。

(2)工件為鈦合金材料，由于鈦合金材料機(jī)械、物理性能非常優(yōu)良，比強(qiáng)度(強(qiáng)度、密度)相對(duì)很高，屬難加工材料。

(3)加工精度高，尺寸公差，位置公差要求比較嚴(yán)格。

2 原加工方法及存在的問(wèn)題

最早以前的加工方法為車(chē)工粗車(chē)留磨量。由外協(xié)廠家磨床磨削加工。但是加工過(guò)后，未能達(dá)到設(shè)計(jì)和圖紙的要求，檢驗(yàn)無(wú)法通過(guò)。原因是工件表面粗糙度太差，有振紋，工件全部報(bào)廢。鈦合金材料非常昂貴，這不僅造成了經(jīng)濟(jì)損失，又拖延了工期。之后工藝改為普通車(chē)床加工，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，在上次加工中，雖然保證了加工質(zhì)量，但存在以下問(wèn)題：

(1)對(duì)操作者技能水平要求較高，且僅局限一人一機(jī)才能加工。

(2)對(duì)設(shè)備精度要求較高。中滑板刻度為每格0.02mm，其它的普通設(shè)備都是每格0.1mm，由于廠里的各種原因這臺(tái)精度較高的車(chē)床暫時(shí)處于封存狀態(tài)，無(wú)法對(duì)這種零件進(jìn)行普通車(chē)床加工。

3 改進(jìn)工藝

數(shù)控加工中心具有機(jī)床剛度強(qiáng)、加工適應(yīng)范圍廣、精度高、加工過(guò)程可編程控制、操作靈活、主軸轉(zhuǎn)數(shù)和進(jìn)給率隨時(shí)可調(diào)等特點(diǎn)[8]，故改進(jìn)后的工藝采用數(shù)控車(chē)床加工，采用工序分散的原則，新工藝流程如下：

(1)粗車(chē)工件φ17×342，φ40×36。

(2)送熱處理進(jìn)行去應(yīng)力時(shí)效處理。

(3)半精加工，一夾一頂加工時(shí)發(fā)現(xiàn)工件材料有彎曲變形，解決的辦法是重新車(chē)基準(zhǔn)。夾φ40外圓，頂φ17外圓，車(chē)至φ16。然后掉頭夾φ16外圓，用百分表校正，把φ40的外圓車(chē)至φ39，端面打中心孔，保證零件外圓軸線與兩端中心孔軸線保持一致，從而獲得比較高的同軸度。

(4)夾φ16的外圓伸出170mm，上頂尖頂中心孔，車(chē)φ15×160mm，切412×25 mm的密封槽。如圖2所示。

圖2 車(chē)削芯軸示意圖

在加工中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題是：鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)熱性差，在切削中刀具和切屑的接觸長(zhǎng)度較短，切削區(qū)域的散熱性差，加速了刀具磨損，達(dá)不到所要求的Ra1.6的粗糙度值。

解決方法是：選擇合適的刀具材料、刀具幾何參數(shù)并優(yōu)化切削參數(shù)。

(1)經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，利用以前用過(guò)的刀片，材質(zhì)為YG8硬質(zhì)合金，重新刃磨，把前刀面刃磨一個(gè)2mm寬2mm深的卷屑槽。切削鈦合金，刀具必須鋒利，鈍刀不能進(jìn)行切削，刀具鈍圓半徑必須小，且刀具磨損發(fā)生在后刀面，故前角磨成8°，后角為15°，刀尖磨成R0.1的刀尖角，既節(jié)約了刀具，降低了成本，又能達(dá)到圖紙公差和表面粗糙度的要求[9-11]。

(2)切φ12×25mm的密封槽時(shí)，應(yīng)選用寬度為1.5mm的外切槽刀，因?yàn)閷挾仍秸?，徑向力越小，阻力越小，表面粗糙度也就越小[12]。

(3)掉頭用銅皮包φ15外圓，伸出250mm，頂φ39外圓端面中心孔，先用粗車(chē)刀反刀把342.2mm至363mm的30°圓錐車(chē)好，然后用刃磨后的55°刀刃反刀車(chē)φ15，下刀218mm車(chē)至339.5mm，精車(chē)30°圓錐面，長(zhǎng)度至363mm，最后精車(chē)余量留0.1mm，精車(chē)轉(zhuǎn)速采用900轉(zhuǎn)/min，進(jìn)給量0.02mm/轉(zhuǎn)。如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后車(chē)削芯軸示意圖

4 結(jié)論

鈦合金細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件存在車(chē)削變形、刀具磨損等加工難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的嘗試摸索，通過(guò)改進(jìn)工藝方法，選擇材質(zhì)為YG8硬質(zhì)合金刀具，重新刃磨，把前刀面刃磨一個(gè)2mm寬2mm深的卷屑槽，刀具必須鋒利，刀具后角要大些，刀尖圓弧半徑不易過(guò)大。粗車(chē)時(shí)，保證必要的刀具耐用度，確定切削速度；精車(chē)時(shí)，盡量采用高速切削，可降低表面粗糙度。并在此基礎(chǔ)上充分冷卻與潤(rùn)滑，最終成功地加工出了合格零件，既拓寬了加工方法，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，又降低了加工成本，提高了生產(chǎn)效率。

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