TC11鈦合金細(xì)長(zhǎng)桿車削加工工藝分析

祝升亮 牛蕊東

摘要：針對(duì)難加工長(zhǎng)徑比較大的零件，加工時(shí)會(huì)造成切削力大、桿件容易發(fā)生變形、桿的尺寸精度難以得到保證等問題，提出了一種合理的加工工藝。主要從工藝路線的選定、裝夾方式的選擇、切削用量的選擇、刀具和刀片的選擇等方面作出了合理的分析，采用一端用三爪卡盤夾緊和另外一端用兩個(gè)中心架輔助支撐的裝夾方式。在切削全過程中，用特殊的車刀以及特殊的冷卻液加工。通過在CW6163普通車床上進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明采用一端用三爪卡盤夾緊和另外一端用兩個(gè)中心架輔助支撐的裝夾方式能夠減小細(xì)長(zhǎng)桿在加工中的變形。在該種加工工藝方案中，特制的R38mm車刀、粗精車的切削用量、機(jī)夾式結(jié)構(gòu)車刀、COOlancutO - 11型號(hào)的切削液以及YG8材料的刀片能夠用來切削難加工材料，并且很好地保證了細(xì)長(zhǎng)桿零件的尺寸精度和粗糙度要求。

關(guān)鍵詞：細(xì)長(zhǎng)桿;裝夾方式;車刀;加工工藝

中圖分類號(hào)：TG51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（ 2022）02-0066-04

0 引言

細(xì)長(zhǎng)桿零件通常是指長(zhǎng)度與直徑之比大于或等于25的零件[11]。車削細(xì)長(zhǎng)桿零件一直是一個(gè)難題，再加上如果是TClI這種難加工材料，更加劇了問題的嚴(yán)重性。但TCII（Ti - 6Al - 3.5Mo - 1.82r）屬于一種馬氏體強(qiáng)化型α +β型兩相鈦合金?？梢栽?00-500℃下長(zhǎng)期使用，具有非常強(qiáng)的工藝塑性、組織穩(wěn)定、抗蠕變能力和抗高溫變形能力，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1030 MPa，多為航空航天零件材料的良好選擇[2-4]。與普通零件相比，TC11鈦合金細(xì)長(zhǎng)桿切削性能差，主要表現(xiàn)為鈦合金材料切削變形系數(shù)小，切削中刀具和材料局部之間會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓、冷作硬化嚴(yán)重、切削力大，這些情況加劇烈了刀具磨損，再加上細(xì)長(zhǎng)桿剛度較差、受熱變形較大嚴(yán)重影響了加工精度和表面質(zhì)且[5-6]。

喻紅中[7]在折析細(xì)長(zhǎng)桿件車削加工方法中，充分分析了零件的結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)以及零件產(chǎn)生的缺陷原因，采用合理的工藝路徑，探索出細(xì)長(zhǎng)軸的加工方法。宋宏明[8]在細(xì)長(zhǎng)桿的車削加工技術(shù)淺析中，歸納了車削常見缺陷及其原因，并在切削加工方面提出了改進(jìn)措施。梁滿營(yíng)等[9]在細(xì)長(zhǎng)軸切削加工工藝方案研究中，一邊用三爪卡盤，一邊用彈性頂尖的裝夾方式，直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)相結(jié)合的加工方法來加工細(xì)長(zhǎng)軸。以上的研究方法都適用加工比較容易切削的材料和小型零件，但實(shí)際生產(chǎn)中，往往會(huì)碰到大型、甚至中間有孔的難加工材料零件，比如鉆桿之類的就不太適應(yīng)了。

針對(duì)以上問題，本文對(duì)TC11鈦合金細(xì)長(zhǎng)桿零件在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)加工工藝、裝夾方式、受力情況以及刀具選擇等方面，作出了合理的分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出，該種工工藝可以達(dá)到預(yù)期的加工效果。

1 細(xì)長(zhǎng)桿在加工過程中工藝性分析

細(xì)長(zhǎng)桿在車削過程中的熱擴(kuò)散性能比較差，在車削過程中，會(huì)在切削熱的作用下刀具發(fā)生黏結(jié)磨損，從而影響工件的表面粗糙度和加工精度[10]。并且鈦合金TC11材料由兩相組織組成，在切削過程中由于硬度比較大，因此在加工中需要比較大的切削力。

以圖1所示的零件為例，只對(duì)細(xì)長(zhǎng)桿外圓車削部分進(jìn)行進(jìn)行工藝性分析，內(nèi)外螺紋以及鍵槽部分不做分析處理。

1.1 加工難點(diǎn)

1.1.1 加工的尺寸公差要求

TC11材料的化學(xué)成分如表1所示。TC11具有難加工性。同軸度要求為0.03 mm，外徑為φ1780.4mm和φ143 +0.5mm，長(zhǎng)度為550 +2mm、1150 2mm、760 02mm、6 110 +10mm，粗糙度為Ra3.2 μm，與18°的錐度，R38 mm的圓角。

1.1.2 細(xì)長(zhǎng)桿加工特性

細(xì)長(zhǎng)桿廣泛應(yīng)用于生活中，主要起到傳遞扭矩、輸出動(dòng)力源和承擔(dān)載荷的作用。但細(xì)長(zhǎng)桿在加工過程中受到切削力和切削熱的作用，容易造成桿的彎曲，出現(xiàn)直線度、同軸度、徑向圓跳動(dòng)和尺寸精度等不合格的現(xiàn)象，廢品率很高。

1.2 加工過程工藝路線的分析

TC11鈦合金細(xì)長(zhǎng)桿車削的目的：從實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的角度，來保證零件的同軸度與尺寸。因此可以通過打表的方式，將孔的軸線放置與車床導(dǎo)軌平行。再用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量出壁厚，利用粗車將原來孔的軸線基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化到圓柱的表面上，用半精車修正外圓。最后在經(jīng)過精車與拋光的方式，達(dá)到尺寸和粗糙度的要求。外圓加工過程中，將背吃刀量按照幾乎均勻等分的方式進(jìn)行粗車與精車加工，來保證最后的加工精度以及削弱刀具的磨損。加工R38 mm的倒角與18°的錐角時(shí)，利用四方刀架旋轉(zhuǎn)成固定的18°并且采用特制的R38 mm的外圓車刀進(jìn)行加工。

1.3 裝夾方式的選擇

（1）雙頂尖法裝夾法。采用雙頂尖裝夾，工件定位準(zhǔn)確，同軸度容易得到保證。但是細(xì)長(zhǎng)桿的剛度差，兩端都用頂尖，細(xì)長(zhǎng)桿容易在刀具切削力的作用下產(chǎn)生彎曲。

（2） 一端夾緊另外一端頂尖的裝夾法。如果頂?shù)奶o，孔的內(nèi)部容易在端口變形，并且還會(huì)導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)桿往外彎曲的可能，并且三爪卡盤和頂尖的同軸度也不能保證。細(xì)長(zhǎng)桿在受熱以后，會(huì)產(chǎn)生膨脹，從而加劇了細(xì)長(zhǎng)桿的彎曲，而這種裝夾方式可以改善，即三爪卡盤夾緊端采用開口的鋼絲圈減小夾緊的接觸長(zhǎng)度，頂端采用彈性頂端來緩解彎曲變形。

（3）三爪卡盤和中心架。采用一端加緊，一端用中心架支撐，支撐架合理的擺放位置，能夠極大的減小切削過程中的振動(dòng)，減小了徑向切削力。

由于6m長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)桿和車床的長(zhǎng)度大致一樣長(zhǎng)，有一端無法采用頂尖。這里的裝夾方式采用的為一端三爪卡盤夾緊，中間用兩個(gè)中心架支撐。為了方便裝夾，這個(gè)零件自帶100 mm的工藝夾頭，待零件加工完成之后可進(jìn)行切除，裝夾方式如圖2所示。對(duì)圖中裝夾方式中的零件進(jìn)行受力分析，由于中心架是限制零件的軸向移動(dòng)，并且底盤與軌道進(jìn)行固定，可視為固定鉸支座，得到了零件XZ和YZ兩個(gè)平面方向的受力分析圖，如圖3-4所示。其中MA為主軸箱傳來的扭矩，q為均布載荷重力，A點(diǎn)為三爪卡盤，B、C兩個(gè)點(diǎn)為中心架輔助，D點(diǎn)為裝夾的自由端，F(xiàn)p為刀具的徑向分力。

1.4 刀具選擇

為了減小細(xì)長(zhǎng)桿切削中產(chǎn)生的彎曲變形，就要求在車削過程中產(chǎn)生的切削力越小越好，為了減小刀具損壞，使刀具和鈦合金材料不發(fā)生親和，刀具材料選為不含鈦元素的硬質(zhì)合金。而在刀具的選擇中，刀具的角度會(huì)直接影響細(xì)長(zhǎng)桿的質(zhì)量和斷屑的難易程度[11]。

（1）前角（Yo）。前角的大小影響切削力、切削產(chǎn)生的振動(dòng)以及零件表面的加工質(zhì)量。使用較大的前角會(huì)降低切削力，減小加工過程中的振動(dòng)，提高零件表面質(zhì)量，但是過大的前角會(huì)讓刀頭和刀尖的強(qiáng)度降低，容易破壞刀具。其次，TC11鈦合金屬于難加工材料，難以斷屑，因此車刀的前刀面應(yīng)有斷屑槽，附加負(fù)倒棱。

（2）主偏角（Kr）。主偏角是主要影響刀具徑向力的因素，較大的主偏角會(huì)降低刀具的徑向力，減小細(xì)長(zhǎng)桿的變形，不容易振動(dòng)。并且小的刀尖圓弧半徑也會(huì)減小徑向分力。

（3）刃傾角（As）。刃傾角影響鐵屑的流向，正的刃傾角，鐵屑流向待加工表面;負(fù)的刃傾角，鐵屑會(huì)流向已加工表面。車削細(xì)長(zhǎng)桿，應(yīng)取正的刃傾角，并且較大的刃傾角，會(huì)增加實(shí)際的工作前角。

（4）后角越大，刀具越鋒利，可降低工件與刀具的摩擦，提高工件表面的粗糙度，但是較大的后角同樣會(huì)使得刀具的強(qiáng)度降低，后角的大小一般為α0= α01=4°-60°。鈦合金屬于強(qiáng)度較高的材料，應(yīng)選擇較小的后角。

本次試驗(yàn)采用機(jī)夾刀具，采用機(jī)夾式結(jié)構(gòu)如圖6所示，方便更換磨損的刀片。為了加工出R38 mm的圓角，采用了特制的一體化刀具如圖7所示。加工鈦合金材料刀片材料為YG8[12]，刀片型號(hào)為CCMT120404 - SF刀尖角為80°，后角為70，R=0.4 mm的刀尖半徑，HQ型斷屑槽。

1.5 合理的切削用量選用

切削用量是切削運(yùn)動(dòng)過程中的切削參數(shù)選擇，其中包括切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量。切削量選取的原則為：在能保證的尺寸精度的情況下，盡可能提高生產(chǎn)效率和降低成本。

（1）背吃刀量（αp）。在刀具和機(jī)床確定前提下，切削深度增加，車削過程中的切削力會(huì)增大，并且過多的切削深度會(huì)產(chǎn)生大量的熱，容易引起切削變形。因而，在圖1的零件加工過程中盡可能減少背吃刀量，將粗加工時(shí)進(jìn)刀的背吃刀量設(shè)為3 mm、半精加工時(shí)為2 mm、精加工時(shí)設(shè)為0.5 mm。

（2）進(jìn)給量（f）。切屑厚度與進(jìn)給量成正比，過大的進(jìn)給量會(huì)增加切屑的厚度，增加切削力。精加工階段，進(jìn)給量主要與表面的粗糙度有關(guān)。粗車用大的進(jìn)給量0.15-0.20 mm/r，精車用小的進(jìn)給量0.08-0.10 mm/r。

（3）切削速度（v）。普通車床的切削速度不會(huì)很大，不容易產(chǎn)生積屑瘤，對(duì)刀具的磨損度有利。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)桿來說，過高的切削速度，會(huì)增加離心力，加劇切削的振動(dòng)。因此，車削中應(yīng)該選擇較低的切削速度60-150 r/min。

1.6 切削液的選擇

切削液在車削過程中起到潤(rùn)滑、防繡、降低刀具后刀面與工件的摩擦、減少切削熱的產(chǎn)生。故這里選用的切削液為COOlancutO - 11加水稀釋而成，COOlancutO -11的典型數(shù)據(jù)如表2所示。

2試驗(yàn)驗(yàn)證

最后確定該零件的加工工藝方案為：粗車一半精車一精車一拋光。整個(gè)切削過程都采用切削液，帶走切削熱和潤(rùn)滑已加T表面。粗車的切削參數(shù)為v=60 r/min，f=0.1 mm/r，ap=3 mm;半精車v=80 r/min，f=0.2 mm/r，ap=2 mm;半精車v=80 r/min，f=0.2 mm/r，αp=0.5 mm。

圖7所示為粗車加工，圖8所示為粗車切屑，圖9所示為半精加工。

圖10所示為精車完成，圖11所示為拋光效果，圖12所示為加工完成。

將最終加工出來的零件通過測(cè)量，檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格。同軸度采用的量具為內(nèi)徑百分表，粗糙度采用對(duì)比的方法，長(zhǎng)度方向的尺寸用游標(biāo)卡尺，外徑用外徑千分尺以及角度尺。測(cè)量報(bào)告如圖13所示。通過上述檢測(cè)報(bào)告以及實(shí)際加工情況可以看出，該細(xì)長(zhǎng)桿加工工藝方案可行。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在TC11鈦合金細(xì)長(zhǎng)桿加工過程中，采用一端用三爪卡盤夾緊，另外一端用兩個(gè)中心架固定的裝夾方式。這種裝夾方式，普遍適用于大型零件的工，減小了細(xì)長(zhǎng)桿零件加工過程中的變形，保證了零件的同軸度，實(shí)現(xiàn)了軸的基準(zhǔn)向圓柱外表面轉(zhuǎn)化的目的。

整個(gè)試驗(yàn)中，通過選取COOlancut0 - 11型號(hào)的切削液、YG8材料的刀片，解決了TClI這類難加.T材料的切削性能差的問題。機(jī)夾式結(jié)構(gòu)車刀，刀片更換方便，避免了細(xì)長(zhǎng)桿在長(zhǎng)時(shí)間加T過程中需要反復(fù)修磨刀刃，很大程度上提高了加工效率;特制的R38 mm車刀，解決了普通車床中加工圓角難題。采用合理的加工工藝與粗精車切削用量，能夠使零件的外形尺寸精度和表面粗糙度達(dá)到要求。

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