鈦合金薄壁零件加工工藝研究

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

鈦合金材料具有密度小，強度高、耐高溫、抗氧化性能好等特點，在航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。但是，由于鈦合金的機械加工性能較差，加工效率較低，因此，鈦合金材料除了航空航天領(lǐng)域外應(yīng)用不是很普遍。鈦合金零件在加工時，被加工材料與刀具容易起相互反應(yīng)，形成溶敷、擴散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。

圖1所示筒體底部壁厚只有0.25mm，公差只有0.025mm，保證零件加工合格的關(guān)鍵是要保證薄壁處不能有輕微的變形現(xiàn)象。由于公司在鈦合金材料加工方面經(jīng)驗欠缺，加工薄壁鈦合金材料的加工難度很大，加工過程中零件容易產(chǎn)生變形，變形后厚度公差不能保證。目前，國內(nèi)相關(guān)廠家加工此類薄壁高精度零件也很難保證設(shè)計要求，一直以來都沒有好的解決辦法，因此解決薄壁鈦合金零件的加工意義非常重大。本文某航空鈦合金薄壁典型零件為例，主要從刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削液、切削參數(shù)等方面進行工藝摸索，找到最優(yōu)的加工方法，使該類薄壁零件的加工滿足設(shè)計要求。

2 產(chǎn)品介紹

2.1 技術(shù)要求

圖1所示為某航空用薄壁筒體。材料為鈦合金(Titanium CP2)，底部薄壁處壁厚僅有0.25mm，公差為0.025mm，同時要求該面必須平整，平面度為0.02 mm，外圓直徑有近ф20mm，口部5mm左右范圍內(nèi)孔公差為0.025mm。該零件與相應(yīng)附件貼和感應(yīng)使用，配合精度要求較高。

圖1 筒體

2.2 工藝難點

筒體零件屬于薄壁零件，內(nèi)徑、底部壁厚要求高，材料為難加工的鈦合金，采用常規(guī)的車削加工方法進行加工，會出現(xiàn)內(nèi)孔公差無法保證，底部變形現(xiàn)象。因此，加工時必須結(jié)合鈦合金材料的特點，從刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削工藝參數(shù)等方面進行工藝摸索，加工時防止底部變形是保證該零件合格的關(guān)鍵所在。

3 鈦合金材料加工難點分析

a) 熱導(dǎo)率低，在切削加工時熱量存積在刀尖附近，造成局部溫度上升快，因此造成刀具溫度很高，刀尖急劇磨損，刀具使用壽命低。

b) 由于鈦合金材料有很強的化學活性，在刀尖呈高溫時，刀具和材料之間易與氧、氫、氮發(fā)生熱化學反應(yīng)，增加了材料強度，降低了塑性，造成刀具磨損程度顯著加快。

c) 因斷續(xù)變形產(chǎn)生切屑，刃尖上的切削阻力變大使刃尖磨鈍，加快刀具磨損。

d) 楊氏模量(縱彈性模量)小，是鋼材的約1/2，在切削加工中，容易引起被加工件的變形。特別是在加工薄壁件時加工回彈更為嚴重，從而引起后刀面與加工表面產(chǎn)生強烈摩擦，產(chǎn)生刀具的磨損和刀刃崩裂。

e) 切削液，切削鈦合金材料時，由于切削溫度顯著上升，因此為了延長刀具使用壽命必須降低切削溫度。所以應(yīng)使用合適的切削液，以便有效降低切削抗力。

4 工藝優(yōu)化

結(jié)合鈦合金材料的加工難點，從刀具材料、刀具的幾何參數(shù)、切削參數(shù)的具體選擇及冷卻液的影響等幾個方面進行工藝摸索及優(yōu)化。

4.1 刀具材料的選擇

加工鈦合金時，不宜使用YT類硬質(zhì)合金刀片。因為YT類硬質(zhì)合金刀片中含有鈦，它會與被加工的鈦合金發(fā)生親和作用，粘掉刀尖。其次在車削鈦合金時，車刀與切屑的接觸遠比加工鋼件時小得多，作用在車刀接觸面積上的單位切削力較大，由于YT類硬質(zhì)合金刀片較脆，因此容易崩刀刃。在低速切削或切削復(fù)雜型面時，可采用高釩高速鋼(W12Cr4V4Mo)和高鈷高速鋼(W2Mo9Cr4VCo8)刀具，它們是加工鈦合金最好的刀具材料，但因鈷資源少且價格昂貴，成本高，因此應(yīng)盡可能少用，以保護稀有資源并降低成本。

經(jīng)過對幾種刀具材料試用摸索對比，最終刀具材料選用為含鉭的硬質(zhì)合金GC1115,PVD涂層刀片，因為加入了少量的稀有元素，提高了刀片耐磨性。

4.2 刀具幾何角度的選擇

切削鈦合金時，車刀后角α0是所有刀具參數(shù)中最敏感的，因為切削層下的金屬彈性恢復(fù)大和加工硬度大，一般采用大后角可使刃口易于切入金屬層，減小后刀面的磨損，但后角過小(小于15°)會出現(xiàn)金屬的粘附現(xiàn)象；而后角過大，刀具將被削弱，刀刃容易崩碎。因此，大多數(shù)切削鈦合金的車刀采用15°后角。從刀具耐用度來看，α0小于或大于15°，都會降低車刀的耐用度。此外，α0為15°的車刀刀刃比較鋒利，并可降低切削溫度。 該零件選取刀尖圓角為R0.1，前角γ為5°～8°，后角α為15°～18°，其余參數(shù)按刀具廠家推薦值進行加工驗證，效果較好。

4.3 切削參數(shù)的選擇

a) 鈦合金機械加工時應(yīng)選擇較低的切削速度Vc。切削速度Vc一般情況下取30～50m/min。

b)適當?shù)倪M給量f。粗加工時取較大進給量，精加工和半精加工取適中的進給量。

c) 合理的切削深度ap。ap=1/3d為宜，鈦合金親合力好，排屑困難，切削深度太大，會造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現(xiàn)象。

d) 精加工量ac。鈦合金表面硬化層約0.1～0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化層上，刀具容易磨損，應(yīng)該避免硬化層加工，但切削余量不宜過大。

結(jié)合上述分析，對各個參數(shù)進行優(yōu)化加工驗證，最終選取如下的切削參數(shù)，見下表1。

表1 加工過程主要切削參數(shù)選用表

4.4 冷卻液的影響

鈦合金加工時最好不使用含氯的冷卻液，避免產(chǎn)生有毒物質(zhì)和引起氫脆，也能防止鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開裂。加工時，冷卻液要保證充足，冷卻液循環(huán)速度要快，切削液流量和壓力要大，可選用合成水溶性乳化液，也可自配冷卻液。我公司使用過的冷卻液見下表2。

表2 切削冷卻液使用情況

(注：1.上述冷卻液試驗使用和型號有關(guān)系，此處具體型號省約；2.上述品牌僅代表我公司使用情況，對品牌不做標準評價)

在工藝試驗中，對我公司的兩大類(5#機械油和水溶性切削液：品牌1和品牌2)冷卻液用同樣刀具及切削參數(shù)進行切削對比，結(jié)果對加工的零件表面，刀具的磨損等沒有區(qū)別。我公司現(xiàn)使用的兩大類冷卻液對上述工藝路線及參數(shù)無明顯影響。

綜上，該鈦合金筒體薄壁易變形零件從上述幾個方面進行工藝優(yōu)化后，底部加工變形得到控制及解決，平整度及各公差都控制在了有效的范圍內(nèi)，滿足了設(shè)計圖紙的要求。同時，加工該類零件還涉及機床設(shè)備的精度，工夾具的使用，此處不再詳述。

5 結(jié)論

本文結(jié)合具體的零件結(jié)構(gòu)，主要從刀具材料的選擇、刀具幾何角度的選取、切削工藝參數(shù)的優(yōu)化、冷卻液的影響等幾個方面進行工藝摸索，從而找出最佳的工藝方案，防止變形，使該零件的加工滿足了預(yù)定的攻關(guān)目標要求。不過，上述工藝參數(shù)不是一成不變的，對不同的結(jié)構(gòu)特征，精度要求高低的零件，需要具體分析，找到幾個關(guān)鍵因素的有機結(jié)合點，制定最優(yōu)化的工藝組合方案。

[1] 《工藝材料信息》,中國航天科工集團306所.

[2] 劉華明. 《金屬切削加工知識及應(yīng)用》,科學普及出版社.