鈦合金TC11 精密切削加工工藝研究

常 海 李文勝 姚春臣

(江南機(jī)器(集團(tuán))公司，湖南 湘潭411207)

鈦合金具有密度小，強(qiáng)度高，比強(qiáng)度大于超高強(qiáng)度鋼;而且熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性好，高溫強(qiáng)度高;在300 ～500 ℃溫度下，其強(qiáng)度約比鋁合金高10 倍等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天、航空及導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品上。特別是(α+β)鈦合金能進(jìn)行淬火、時(shí)效使合金強(qiáng)化，熱處理后的強(qiáng)度比退火狀態(tài)提高50% ～100%。并且具有良好低溫韌性以及良好的抗海水腐蝕、抗熱鹽應(yīng)力腐蝕能力，運(yùn)用的更加廣泛。

但是，由于鈦合金具有切削變形系數(shù)小(變形系數(shù)小于或接近1)，切削加工過程切屑在前刀面上滑動(dòng)摩擦的路程增大，加速刀具摩損;同時(shí)切削溫度高，切削力大，易產(chǎn)生表面變質(zhì)污染層，因?yàn)殁伒幕瘜W(xué)活性大，易與各種氣體雜質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，如O、N、H、C 等侵入鈦合金的切削表層，導(dǎo)致表層的硬度及脆性上升。其他尚有TCi、TiN 硬質(zhì)表層的形成;在高溫時(shí)形成表層組織α 化層以及氫脆層等表面變質(zhì)污染層。造成表層組織不均，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，降低了零件的疲勞強(qiáng)度，切削過程也嚴(yán)重?fù)p傷刀具，產(chǎn)生缺口、崩刃、剝落等現(xiàn)象;親和性大，切削時(shí)，鈦屑及被切表層易與刀具材料咬合，產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象，引起劇烈的粘結(jié)磨損;而且鈦合金組織不夠穩(wěn)定等缺陷，給切削加工特別是精密切削加工帶來很多困難，所以又稱之為難加工金屬。因此，對(duì)鈦合金精密切削加工的工藝研究，是一個(gè)亟需解決的問題。

尾管殼體(如圖1 所示)是筆者廠里某產(chǎn)品中一個(gè)關(guān)健性能零件，由于在工作狀態(tài)時(shí)必須承受高溫高壓，其機(jī)械性能要求為抗拉強(qiáng)度Rm≥1 030 MPa，延伸率A≥9，為滿足其性能要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)上采用鈦合金TC11 制作，是一種典型的薄壁軸類管狀零件。通過對(duì)其精密切削加工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了鈦合金TC11精密切削加工。

圖1 零件圖

1 鈦合金TC11 切削加工特點(diǎn)

TC11 鈦合金是屬于(α +β)型Ti 合金。其組織由密排六方結(jié)構(gòu)α 相和體心立方結(jié)構(gòu)的β 相構(gòu)成，相對(duì)其他金屬，織構(gòu)更加明顯，各向異性更強(qiáng)，這給鈦合金的生產(chǎn)和加工帶來較大的困難。其切削加工過程特點(diǎn)如下:

(1)切削力大、切削溫度高。由于鈦合金密度小，強(qiáng)度高，切削進(jìn)給切應(yīng)力大，塑性變形功大，因而切削力大、切削溫度高。

(2)加工硬化嚴(yán)重。鈦合金加工硬化的原因除塑性變形外，還因鈦在高的切削溫度下吸入氧、氮，產(chǎn)生間隙固溶以及高硬度質(zhì)點(diǎn)對(duì)刀具的摩擦作用強(qiáng)烈所致。

(3)容易粘刀。鈦合金在高溫下化學(xué)親和力強(qiáng)，加之大的切削力，更促進(jìn)了刀具的粘結(jié)磨損。

(4)刀具磨損較為劇烈。邊界磨損是切削鈦合金時(shí)刀具磨損的顯著特點(diǎn)。

2 工件分析

該工件材料為TC11 -M(退火狀態(tài))棒料，機(jī)械性能抗拉強(qiáng)度Rm≥1 030 MPa，延伸率A≥9;從圖1 可以看出:屬于典型的薄壁管狀工件，工件剛性差;長度與孔徑比(L/D)大于5，屬于深孔鉆削、工件最小壁厚為1.5 ～2 mm，加工過程容易產(chǎn)生變形;而且尺寸及形位公差要求相當(dāng)高，內(nèi)孔最小公差為mm 及mm，右端φ44 ±0.08 mm 外圓對(duì)左端鋸齒形螺紋B45 ×2 止口尺寸mm 內(nèi)徑的同軸度要求僅為φ0.015 mm，加工難度相當(dāng)大。通過對(duì)工件結(jié)構(gòu)及材料特性分析，得知內(nèi)外圓的精車特別是其形位公差同軸度的要求是該工件的加工難點(diǎn)，而如何有效地控制、減小變形是解決加工問題的關(guān)健。

3 工藝方案

3.1 工藝路線

工藝路線的制定以“先粗后精，先內(nèi)后外”，減小精加工時(shí)的變形，提高加工精度為原則。在前期的試制過程中，工藝路線為:下料、車長度、粗車外形、鉆孔、粗鏜孔、精車內(nèi)形、精車外形。

由于鈦合金導(dǎo)熱性差，密度及比熱均小，切削溫度高;且與刀具化學(xué)親和力強(qiáng)，容易粘刀而使切削困難。試驗(yàn)證明，鈦合金的強(qiáng)度愈大，其切削加工性愈差。所以在加工過程必須選用與鈦合金化學(xué)親和性小、導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度高的鎢鈷類硬質(zhì)合金。

粗車采用YG8、半精車采用YG6、精車采用YG3X。鉆孔采用硬質(zhì)合金麻花鉆(焊YG6 硬質(zhì)合金)。

3.2 存在問題

(1)采用硬質(zhì)合金麻花鉆鉆孔時(shí)，切削溫度相當(dāng)高，鉆頭磨損嚴(yán)重，而且加工過程熱應(yīng)力增加，直接影響到后續(xù)精加工的精度。

(2)工件變形大，機(jī)加尺寸難以控制。

(3)同軸度超差情況嚴(yán)重，工件合格率低，平均合格率只有50%。

(4)生產(chǎn)效率不高，刀具磨損較大，生產(chǎn)成本較大。

3.3 解決方案

3.3.1 重新選擇合理的刀具

經(jīng)過對(duì)材料及加工過程的研究，決定采用肯納HTS-C 機(jī)夾式鉆頭(噴吸鉆)進(jìn)行鉆孔;該鉆頭能提供強(qiáng)有力的冷卻，并配備可轉(zhuǎn)位PVD 涂層整體硬質(zhì)合金刀片和排屑槽及硬質(zhì)合金導(dǎo)向鉆。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，該鉆頭選用專門加工難加工材料的KC720 和KC7215 刀片(內(nèi)外側(cè)刀片)，對(duì)鈦合金進(jìn)行鉆削，生產(chǎn)效率提高60%，而且鉆削后的工件不發(fā)熱、不變形，對(duì)后續(xù)加工沒有應(yīng)力影響，對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生污染，如圖2。

圖2 直徑φ32 mm 的HTS-C 機(jī)夾式鉆頭

3.3.2 變形原因分析及對(duì)策

機(jī)加過程產(chǎn)生變形的主要原因是由于鈦合金組織應(yīng)力而造成。在前期的試制過程中，雖然工藝采取了先粗后精，先內(nèi)后外的加工工藝，但是沒有充分考慮鈦合金組織不穩(wěn)定的因素，造成了機(jī)加過程工件變形，尺寸難以控制的現(xiàn)象。如何減小鈦合金機(jī)加過程的變形控制為最小，是一個(gè)難題。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，我們在工件粗加工后增加一道時(shí)效退火工序。在不降低工件機(jī)械性能的前提下，通過細(xì)化晶粒，從而達(dá)到細(xì)化組織，消除內(nèi)應(yīng)力，使其組織達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

熱處理規(guī)范如下:時(shí)效溫度530 ℃，保溫時(shí)間4 ～6 h。保證Rm≥1 030 MPa，A≥9%。經(jīng)過多個(gè)批次的試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度Rm普遍高于1 030 MPa，延伸率A全部大于9%。

3.3.3 同軸度超差原因及對(duì)策

針對(duì)同軸度超差而造成的工件合格率不高的情況，通過對(duì)工件材料及加工工藝進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn):工件為管狀薄壁件，屬于典型的易變形難加工金屬，只有提高整個(gè)工藝系統(tǒng)剛度才能有效地解決其加工問題。

(1)在內(nèi)孔加工時(shí)，采取了合理設(shè)置工藝臺(tái)階法，以具有一定剛性的工藝臺(tái)階作為工件的裝夾、定位基準(zhǔn)，有效地解決了加工內(nèi)孔變形問題，見圖3。

圖3 工藝基準(zhǔn)

(2)在進(jìn)行外圓加工時(shí)，采取了填充防振物機(jī)械加工方法，即在工件半精車外形工序時(shí)，夾持部位填充硬性墊塊，防止工件變形;在工件的內(nèi)孔中填充軟性橡膠管或發(fā)泡材料，使其在加工過程與其內(nèi)壁貼合一體，從而達(dá)到增加工件剛性的作用，見圖4。

圖4 填充防振物

(3)為保證工件的同軸度要求，在最后一道精車外形工序時(shí)設(shè)計(jì)了一套過定位夾具，用來提高工件的剛性，見圖5。

圖5 過定位夾具

按常理設(shè)計(jì)的話，該夾具以φ45.5+0.0390mm 止口為定位面，采用齒形螺紋B45 ×2 夾緊，已滿足夾具設(shè)計(jì)要求。但實(shí)際上，由于在車削外形過程中，工件與定位心軸間隙過大，工件切削受力后產(chǎn)生徑向擺動(dòng)，從而造成工件的同軸度超差。所以在夾具的設(shè)計(jì)上，為保證工件的剛性采用過定位裝置，既將工件的全部內(nèi)孔作為定位基準(zhǔn)，雖然在理論上產(chǎn)生過定位現(xiàn)象，但在實(shí)際運(yùn)用上，則完全滿足了工件的需要。見圖6 所示。

圖6 過定位止口

根據(jù)上述TC11 鈦合金在切削過程中表現(xiàn)出的特征以及該合金難以切削的機(jī)理，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中難加工材料的加工方法和經(jīng)驗(yàn)，重新制定了切削加工工藝路線如下:下料——平端面——鉆孔——粗車內(nèi)、外圓——時(shí)效及機(jī)械性能檢驗(yàn)——車基準(zhǔn)——半精車小頭內(nèi)孔，半精車大頭內(nèi)孔——精車內(nèi)形——半精車外形——平總長、精車小端——精車外形。

采用此工藝方法加工的鈦合金零件尾管殼體完全符合設(shè)計(jì)要求，零件合格率達(dá)98%以上。有效地解決了鈦合金的精密切削加工變形問題。

4 結(jié)語

鈦合金的切削性很差，如何改善和提高其切削性是個(gè)難題。本文通過對(duì)鈦合金零件尾管殼體的切削工藝方法分析，實(shí)現(xiàn)了鈦合金零件的精密切削加工，有效解決了鈦合金TC11 薄壁筒形零件車削變形、刀具磨損等加工難點(diǎn)。對(duì)于薄壁鈦合金零件的加工工藝有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解，為今后鈦合金零件的加工積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

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