鈦合金細(xì)長(zhǎng)件加工工藝

□王 麗

鈦合金密度低、耐熱性高、抗腐蝕性能好、韌性、塑性較好，在加工中刀具易纏屑，在鉆削加工中尤為突出。目前在航空航天、半導(dǎo)體、醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域均已得到廣泛應(yīng)用。但導(dǎo)熱性能差、加工中易變形，切削過(guò)程中的安全性差。由于鈦屬于易燃金屬，并且導(dǎo)熱性差在加工中產(chǎn)生的熱量大量集中在切削刃處，如果冷卻不好，加工中會(huì)產(chǎn)生火花可能引燃鈦屑。這些特性導(dǎo)致了鈦合金成為較難加工的金屬材料。

一、典型事例分析

工件特點(diǎn)：外形尺寸為910mm×26mm×13mm的典型細(xì)長(zhǎng)件產(chǎn)品。變形量要求控制在0.1mm以內(nèi)。腰形臺(tái)階孔有位置度要求即孔與孔間距公差±0.05mm，孔中心到邊的距離公差0～+0.03。整體粗糙度要求3.2。其他要求：表面不得有磕碰、刮傷、劃痕等缺陷;清除毛刺，尖角倒鈍，各棱邊、銳角全部倒角C0.1-C0.5。

二、加工工藝及出現(xiàn)的問(wèn)題

因?qū)︹伜辖鸺?xì)長(zhǎng)件產(chǎn)品的加工缺乏經(jīng)驗(yàn)，工件總體算是長(zhǎng)方體形狀，又是單件打樣產(chǎn)品，所以從加工成本考慮，采用通用夾具裝夾。使用四臺(tái)相同規(guī)格的精密臺(tái)鉗，均布固定在工作臺(tái)上。四個(gè)定鉗口用表校直，并且在一條直線上。直線度控制在0.02mm左右。缺點(diǎn)是在調(diào)整工裝時(shí)用時(shí)較長(zhǎng)。由于在材料采購(gòu)時(shí)，對(duì)材料自身變形以及下料切割情況預(yù)判不夠準(zhǔn)確，為保證產(chǎn)品六個(gè)面有足夠的余量，毛坯實(shí)際尺寸為920mm×38mm×20mm。材料的去除量非常大，加工中的應(yīng)力釋放也會(huì)更大，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品更易變形。無(wú)形中又增加了產(chǎn)品的加工難度。

(一)用臺(tái)鉗夾住毛坯，用大刀粗加工光面。

1.出現(xiàn)的問(wèn)題。加工中有大量火花出現(xiàn)。松開(kāi)臺(tái)鉗后工件兩個(gè)方向都產(chǎn)生較大變形，約0.4mm。

2.分析原因。大刀開(kāi)粗產(chǎn)生大量熱量，鈦合金導(dǎo)熱性差，機(jī)床內(nèi)加的是切削油，冷卻效果不佳最終導(dǎo)致火花的產(chǎn)生。存在燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。

3.工藝調(diào)整。一是將切削油更換為乳化液。二是大盤(pán)刀改為切削刃較鋒利的合金超硬銑刀，線速度60m/min左右。小吃刀量，以減小切削力，從而減小工件受到加工外力引起的變形。

(二)調(diào)整后再次加工，加工中產(chǎn)生的火花沒(méi)有了。

1.出現(xiàn)的問(wèn)題。工件加工變形量有所降低，但是仍然超差。二次裝夾加工另一面時(shí)，無(wú)法保證兩面的平行度，造成厚度尺寸不均勻，上下兩面不平行。

2.分析原因。用四個(gè)臺(tái)鉗夾工件，每鉗口寬度125mm，工件所受的總裝夾長(zhǎng)度為125×4=500mm。毛坯總長(zhǎng)920mm，即仍有近一半的材料處于懸空狀態(tài)，加上材料細(xì)長(zhǎng)造成自身強(qiáng)度不足。懸空處材料受到的切削力多數(shù)被自身吸收。這是引起變形量居高不下的根源。

3.工藝調(diào)整。要想保證整個(gè)產(chǎn)品的尺寸均勻，一是盡量減少裝夾次數(shù)；二是充分利用產(chǎn)品自身特點(diǎn)，采用反復(fù)對(duì)稱加工。使加工中產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，通過(guò)對(duì)稱加工的方式相互抵消，最大限度的減小工件變形；三是對(duì)工件的少許變形進(jìn)行校正后再加工腰形槽，保證了位置度要求。

三、加工工藝的改進(jìn)和設(shè)計(jì)專用工裝

工裝采用長(zhǎng)990m×118mm×25mm的鋼板為材料，中間一排均布5個(gè)φ18×φ12.1的沉頭，穿M12內(nèi)六角螺栓，使工裝與工作臺(tái)固定并且完全貼合，從而保證了工裝與工件的直接接觸面有較高的平面度。

(一)在機(jī)床上安裝工裝，校平、打直。將工件毛坯放置于兩排M6螺紋孔中間，用M6內(nèi)六角螺栓與小壓板組合將毛坯與工裝固定。由普通壓板改為全新設(shè)計(jì)的小壓板，是因?yàn)橛脗?cè)刃加工采用小壓板可以有效縮短刀具的伸出量,提高刀具強(qiáng)度。同時(shí)由于工件是細(xì)長(zhǎng)件，小壓板更利于裝夾。壓板數(shù)量設(shè)置較多，除了使工件與工裝固定，還起到了對(duì)工件很大的支撐作用。使加工時(shí)產(chǎn)生的切削力最大化的由壓板吸收。減小工件受到的切削力。

(二)加工采用反復(fù)對(duì)稱銑削的方式進(jìn)行。刀具選用較鋒利的合金超硬銑刀。深度采用分層銑削，一邊整體銑掉1mm后，將壓板更換至另一邊。壓板更換方式采用先壓一個(gè)另一側(cè)壓板，然后松掉對(duì)應(yīng)一側(cè)的一個(gè)壓板，依次交替進(jìn)行直至所有壓板更換到另一側(cè)。然后繼續(xù)加工另一側(cè)，同樣的加工量，相同的走刀參數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)了兩側(cè)對(duì)稱加工。這種裝夾方式保證了兩次加工仍是在一次裝夾下進(jìn)行的。壓板動(dòng)了，而工件未動(dòng)，也未發(fā)生變形。保證了工件尺寸的一致性、均勻性。依照這種方式兩個(gè)方向四個(gè)面反復(fù)加工。

(三)在對(duì)稱加工中，靈活運(yùn)用不對(duì)稱加工。每次松開(kāi)壓板，調(diào)整加工方向加工另兩面時(shí)，將工件置于自然狀態(tài)，工件的變形量仍有超差，并且其變形都是呈拱形，即一面凸、一面凹。通過(guò)問(wèn)題分析及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，把工件再次固定在工裝上時(shí)，先加工工件的凹面，并且凹面多加工0.3mm左右再進(jìn)行對(duì)稱加工。工藝調(diào)整后，變形量基本降低至公差范圍內(nèi)。粗加工結(jié)束后，兩個(gè)方向各留2～3mm余量。在自然狀態(tài)下放置2天，進(jìn)行自然時(shí)效處理。讓工件充分釋放內(nèi)應(yīng)力。

(四)外形精加工。精加工余量留0.1～0.2mm。先把26mm尺寸加工到位。再精加工13mm方向，因工件在此方向有一個(gè)3×3mm的凸臺(tái)。利用產(chǎn)品特性，把所有余量留在凸臺(tái)的另一側(cè)。用對(duì)稱加工，一邊加工凸臺(tái)，一邊加工余量。仍然進(jìn)行反復(fù)加工。工件外形及凸臺(tái)精加工到位后，加工沒(méi)有凸臺(tái)側(cè)的倒角。另一側(cè)倒角因?yàn)橛袎喊甯缮鏇](méi)法加工，由下道工步加工。松開(kāi)壓板后工件整體變形量控制在0.1mm以內(nèi)，效果很好。

(五)外形到位后把工件放入工裝的長(zhǎng)槽內(nèi)。槽深9mm，目的是盡量增大頂塊與工件的接觸面，從而達(dá)到預(yù)期的側(cè)頂效果。把頂塊放入26×7的開(kāi)口槽內(nèi)，通過(guò)工裝側(cè)面11個(gè)M6的螺栓，與頂塊組合將工件與槽壁完全貼合，使工件26mm方向的微量變形得以校正。用頂塊與工件直接接觸也避免了工件劃傷。13mm的厚度方向變形，通過(guò)壓板使工件底部與工裝槽底貼合得以校正。工件完全校正后，開(kāi)始加工。保證了腰形臺(tái)階孔、螺紋孔的位置度要求。加工腰形槽采用深度分層銑削。相同深度所有槽加工完，再進(jìn)行下一個(gè)深度的加工，保證了材料整體受力均勻。因鈦合金韌性較好，鉆孔時(shí)增加抬刀次數(shù)，從而避免較長(zhǎng)的鐵屑纏在鉆頭上，造成工件劃傷。攻絲采用前頭引牙較多的絲錐。先用機(jī)床引牙，然后手動(dòng)攻絲。既保證了螺紋的垂直度，也降低了斷絲錐的風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)面所有尺寸全部加工到位后工件翻面，用同樣的方法加工另一面的倒角、開(kāi)口槽等。至此工件加工全部結(jié)束。

四、結(jié)語(yǔ)

本文以鈦合金細(xì)長(zhǎng)件為案例，闡述了在加工中遇到的困難和解決方法，介紹了工裝的設(shè)計(jì)原理和作用，形成了一套完整的加工工藝。深刻體會(huì)到一種產(chǎn)品的加工工藝可能不是一種，但要根據(jù)產(chǎn)品的要求、訂單的數(shù)量、可用的機(jī)床及其他設(shè)備的情況，綜合考慮，權(quán)衡利弊最終選擇最合適的工藝，才是好工藝。