星載復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金薄壁件超聲振動切削研究

王貴林，李林才，朱俊輝，王致遠(yuǎn)

（湖南航天環(huán)宇通信科技股份有限公司，湖南 長沙 410205）

1 引言

航天器結(jié)構(gòu)單元具有比強(qiáng)度大、精確度高、穩(wěn)定性好等性能，以節(jié)約發(fā)射成本、降低飛行慣性、滿足太空環(huán)境工作要求。為了實現(xiàn)輕量化設(shè)計、滿足高可靠性要求，采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金薄壁件作為承載、連接和定位元件是一種可行選擇[1]。

鈦合金具有比強(qiáng)度、熱強(qiáng)度、抗斷裂性高和耐腐蝕性好等優(yōu)良特性，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。如航天器在軌期間實現(xiàn)大角度機(jī)動、精確姿態(tài)調(diào)控的某型單框架控制力矩陀螺采用鈦合金作為薄壁座筒材料，包括內(nèi)螺紋、內(nèi)腔圓環(huán)、鍵槽、腰孔、凸臺等多種幾何構(gòu)型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，外壁直徑為150mm，不同軸向位置處的單邊壁厚在（3～5）mm之間，如圖1所示。

圖1 鈦合金薄壁座筒的剖面結(jié)構(gòu)Fig.1 Section Structure of Titanium Alloy Thin-walled Cylinder

鈦合金雖然具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但是高精度加工的難度很大，國內(nèi)外學(xué)者對鈦合金薄壁件切削過程中的材料去除機(jī)理、刀具磨損和加工變形開展了廣泛研究[2]。為了實現(xiàn)精密加工，要求刀具刃口很鋒利，而鈦合金的化學(xué)活性高，切削時無論選用硬質(zhì)合金刀具還是PCD、金剛石刀具都會快速磨損，導(dǎo)致加工精度達(dá)不到要求[3]，還需防止扎刀、燒傷和擠壓變形等產(chǎn)生的損傷[4]。

針對具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的星載鈦合金薄壁件，通過分析精密切削條件下的熱力學(xué)特性和刀具磨損，研究超聲振動加工對應(yīng)的應(yīng)力分布，控制切削力、刀-屑粘結(jié)和加工變形，實現(xiàn)高效高精度加工。

2 鈦合金薄壁件切削特性研究

鈦合金薄壁件具有嚴(yán)格的尺寸、形狀和位置精度要求，為航天器結(jié)構(gòu)單元提供滿足精確空間關(guān)系的方位基準(zhǔn)[5]。對于圖1所示的鈦合金薄壁座筒，要求直徑方向的尺寸精度為8μm，圓度誤差≤4μm，加工表面粗糙度為Ra0.8。由于導(dǎo)熱系數(shù)小、局部剛度低，切削熱和變形會導(dǎo)致鈦合金薄壁件的加工精度受到影響，需要對其切削特性進(jìn)行定量研究。

2.1 切削溫度影響

采用Nanotech超精密車床切削鈦合金薄壁件，見圖2（a）所示。加工時熱量主要集中在切屑與刀具之間窄小的作用面上，約80%的熱量傳給了刀具，切削區(qū)理論溫度T可以表示為：

式中：K—與切削狀態(tài)相關(guān)的系數(shù)；v—切削速度；f—進(jìn)給速度；

ap—切削深度；K=85～235、γ=0.46～0.82、χ=0.23～0.27。

依據(jù)切削參數(shù)的計算結(jié)果，加工區(qū)溫度在200℃以上。由于熱量主要聚集在加工區(qū)，易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，并且隨著切削溫度的升高粘刀現(xiàn)象更為明顯。采用Talyrond 565 圓柱度儀對鈦合金薄壁座筒加工后的內(nèi)孔圓柱度進(jìn)行檢測，如圖2（b）所示。對應(yīng)的檢測形貌，發(fā)現(xiàn)沿圓周方向具有明顯的微觀起伏，如圖3 所示。測試結(jié)果，如圖4所示。圓度誤差為13.93μm，不滿足指標(biāo)要求，需要對切削溫度進(jìn)行控制。

圖2 鈦合金薄壁座筒精密加工與內(nèi)孔圓度檢測Fig.2 Precision Machining and Roundness Testing of Inner Hole

圖3 鈦合金薄壁座筒切削后的內(nèi)孔形貌Fig.3 Inner Hole Morphology after Cutting

圖4 鈦合金薄壁座筒內(nèi)孔圓度測試結(jié)果Fig.4 Roundness Testing Result of Inner Hole

2.2 刀具磨損分析

鈦合金加工時，刀具與工件發(fā)生著強(qiáng)烈的摩擦接觸作用。由于粘結(jié)、擴(kuò)散、氧化等行為，刀具刃口變鈍，與已加工區(qū)的接觸面不斷增大，又反過來加劇摩擦，降低了加工精度。

根據(jù)切削速度v、溫度T和應(yīng)力σ，刀具磨損速率為：

式中：P、Q—與切削條件和刀具材料相關(guān)的系數(shù)。

在圖3 中，可以看出內(nèi)孔切削的起始端（圖中下方）直徑較大，由于刀具磨損，越往里加工直徑就越小。薄壁座筒內(nèi)徑的尺寸公差為8μm，刀具磨損后將難以滿足精度要求。

根據(jù)測試結(jié)果，在主軸轉(zhuǎn)速為150r/min、背吃刀量為10μm時，切削3000m后金剛石刀尖磨損量約為4μm（對應(yīng)圓度誤差為8μm），已經(jīng)無法滿足鈦合金薄壁座筒的尺寸精度要求。

2.3 加工精度改進(jìn)措施

2.3.1 裝夾變形控制

鈦合金彈性模量不高，如果裝夾方式設(shè)計不合理，薄壁件從夾具上取下時極易產(chǎn)生回彈變形，因此需要研究裝夾力對工件形狀的影響。為了控制裝夾變形，采用真空吸盤和轉(zhuǎn)接筒對鈦合金薄壁件進(jìn)行固接，選擇軸向、對稱、均衡的連接方式，實現(xiàn)裝夾力在定位面內(nèi)的均勻可控分布。采用超精密機(jī)床現(xiàn)場切削方式，將鈦合金薄壁件和轉(zhuǎn)接筒端面的平面度、平行度誤差控制在0.3μm以內(nèi)，滿足裝夾精度要求。

2.3.2 在線補(bǔ)償切削

由于刀具磨損，隨著軸向切削距離增加將會出現(xiàn)內(nèi)孔直徑變小的現(xiàn)象。實際加工中通過測量上道刀痕沿進(jìn)給方向的尺寸變化，采用在線補(bǔ)償方式對殘留余量大的位置增加進(jìn)刀深度、殘留余量小的位置減少進(jìn)刀深度，從而控制刀具磨損對形狀精度的影響。采用在線補(bǔ)償方式對鈦合金薄壁座筒進(jìn)行切削后的內(nèi)孔輪廓，如圖5所示。圓度誤差為4.49μm，相比圖4的檢測結(jié)果大幅改善；但部分區(qū)域存在推擠現(xiàn)象，主要由鍵槽等不連續(xù)輪廓引起，影響了形狀精度和穩(wěn)定性。

圖5 鈦合金薄壁座筒補(bǔ)償加工后的內(nèi)孔圓度Fig.5 Inner Hole Roundness after Compensation Machining

2.3.3 切削方式改進(jìn)

切削加工中，鈦合金與刀具的微觀粘結(jié)會導(dǎo)致工件、切屑之間產(chǎn)生剪切滑移。由于粘結(jié)層是塑性變形后的組織，晶格嚴(yán)重畸變，引起的熱塑性變形、相變會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。雖然加工后滿足精度要求，但隨著內(nèi)應(yīng)力的緩慢釋放，應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞后會使工件發(fā)生變形[6]。

此外，鈦合金薄壁件不連續(xù)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生非對稱加工變形，并對鄰近區(qū)域的輪廓進(jìn)行推擠，粗糙度和顯微硬度迅速增加，表面殘余應(yīng)力變成拉應(yīng)力，嚴(yán)重影響穩(wěn)定性和壽命。為了克服上述缺陷，采用超聲振動切削方法對鈦合金薄壁件不連續(xù)表面進(jìn)行加工，分析切削力和溫度對工藝系統(tǒng)的影響，在弱剛度、非對稱結(jié)構(gòu)條件下改善加工表面質(zhì)量，實現(xiàn)低應(yīng)力、高精度加工。

3 超聲振動切削應(yīng)力和變形分析

鈦合金的彈性模量為中等（TC4為110GPa），具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄壁件在切削力、裝夾力、切削熱作用下容易產(chǎn)生變形，作用力釋放后又會回彈，影響精度和性能，需要對其加工應(yīng)力、熱應(yīng)力和切削變形進(jìn)行仿真分析，滿足指標(biāo)要求。

根據(jù)真空吸盤的作用區(qū)域，星載鈦合金薄壁座筒的軸向裝夾力為587N。采用橢圓形超聲振動切削方式，在設(shè)定工藝條件下切削力≤1N、充分潤滑時切削區(qū)溫升≤15℃。鈦合金薄壁座筒在重力、裝夾力、加工力作用下的應(yīng)力仿真，如圖6（a）所示；切削溫度場引起的應(yīng)力分布，如圖6（b）所示；工件的切削變形，如圖6（c）所示。根據(jù)圖6的仿真結(jié)果，橢圓形超聲振動切削條件下星載鈦合金薄壁座筒單位面積的加工應(yīng)力、熱應(yīng)力分別為0.5MPa和29.4MPa，遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度1100MPa；切削變形量為0.9μm，遠(yuǎn)小于4μm，滿足強(qiáng)度、剛度和長期穩(wěn)定性要求。

圖6 鈦合金薄壁座筒的熱力學(xué)仿真結(jié)果Fig.6 Thermodynamic Simulation Results

4 超聲振動切削實驗

為了減小鈦合金薄壁件加工中的刀具磨損和微觀推擠，實驗中采用超聲振動車削方式來提高加工精度、控制表面質(zhì)量。

橢圓形超聲振動加工中，金剛石刀具在兩個坐標(biāo)系內(nèi)做橢圓形高頻運動，能夠同時實現(xiàn)前刀面與切屑、后刀面與已加工面的分離，切削過程表現(xiàn)為微觀斷續(xù)、宏觀連續(xù)，刀具和工件材料的親和、粘結(jié)作用顯著減弱，積屑瘤無法生成，切削力明顯下降，加工過程穩(wěn)定，精度和表面質(zhì)量高。采用Son-X驅(qū)動器帶動金剛石刀具做橢圓形超聲振動切削鈦合金薄壁座筒，超聲振幅為5μm、頻率為20kHz，進(jìn)給速度為10μm/r，切削速度為25m/min，加工過程，如圖7所示。

圖7 鈦合金薄壁座筒超聲振動切削Fig.7 Ultrasound Vibration Cutting Scene

測量結(jié)果，如圖8所示。鈦合金薄壁座筒超聲振動切削后的內(nèi)孔圓度誤差為2.83μm，形狀精度大幅提高。

圖8 鈦合金薄壁座筒超聲振動切削后的內(nèi)孔圓度Fig.8 Roundness after Ultrasound Vibration Cutting

超聲振動切削過程中，為了保證鈦合金薄壁件加工變形小、使用壽命長，精加工之前需要進(jìn)行消應(yīng)力退火，以稍高于再結(jié)晶溫度、保溫一定時間的熱處理工藝來獲得穩(wěn)定性良好的組織，滿足長期穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)論

航天器結(jié)構(gòu)單元采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金薄壁件作為承載、連接、定位元件能滿足輕量化和高可靠性要求，但加工過程中的刀-屑粘結(jié)、刀具磨損和工件變形，難以實現(xiàn)高精度切削。

基于切削特性研究，通過對加工應(yīng)力、熱應(yīng)力和變形進(jìn)行仿真分析，采用橢圓形超聲振動金剛石車削，實現(xiàn)了直徑150mm、壁厚（3～5）mm鈦合金薄壁件的低應(yīng)力高精度加工，測試結(jié)果表明直徑方向的尺寸精度為5μm、圓度誤差為2.83μm、表面粗糙度為Ra 0.2，并且殘余應(yīng)力小、長期穩(wěn)定性好，滿足太空環(huán)境下的使用要求。