框體類鈦合金零件加工技術(shù)

四川省宜賓普什驅(qū)動(dòng)有限公司總經(jīng)理助理 鄭萬全

結(jié)合鈦合金的特性以及框體類鈦合金的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文從工藝方案規(guī)劃、加工設(shè)備選擇、工裝設(shè)計(jì)思路、常用刀具類型以及加工注意事項(xiàng)等方面進(jìn)行簡要地介紹。

框體類鈦合金零件加工工藝方案

框體類鈦合金零件，常見的是鈦合金機(jī)匣（見圖1）。根據(jù)產(chǎn)品使用的不同要求以及它的加工特點(diǎn)，目前主要有4種工藝：①分段精加工，再焊接，再補(bǔ)充加工焊接接頭部位。②分段粗加工，再焊接，再整體數(shù)控精加工。③整體鍛造，再粗精機(jī)加工。④整體鑄造，再粗精機(jī)加工。

圖1 框體類鈦合金零件

圖2 五軸聯(lián)動(dòng)大型龍門車銑復(fù)合加工中心

框體類鈦合金零件機(jī)械加工設(shè)備的選擇

如采用分段精加工、再焊接、再補(bǔ)充加工焊接接頭部位的方案，加工設(shè)備可根據(jù)焊接接頭的情況，根據(jù)零件輪廓尺寸選擇合適的五面龍門加工中心、大型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心或數(shù)控車床等。

如果采用分段粗加工，再焊接，再整體數(shù)控精加工的工藝，由于采用這類工藝方案的框體類鈦合金零件一般尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫多，焊接易變形，故在焊接前一般端面、表面均都留有較多的余量。在精加工工藝規(guī)劃時(shí)，務(wù)必盡可能少轉(zhuǎn)工序，因?yàn)橐坏┕ば蛱啵塾?jì)誤差以及產(chǎn)品的變形因素就很難控制。一般來講，優(yōu)先推薦選用大型龍門車銑復(fù)合中心（見圖2、圖3）；其次推薦選用數(shù)控車床與五軸聯(lián)動(dòng)加工中心（見圖4）聯(lián)合加工。

如是采用整體鍛造（鑄造）、再粗精機(jī)械加工的方案。這種工藝方案準(zhǔn)備的零件毛坯，其加工余量比較均勻，去除余量相對(duì)較少，可縮短機(jī)械加工的時(shí)間。機(jī)械加工過程中，考慮框體類零件的內(nèi)壁、外壁以及四周窗口需要粗精加工，為此在選擇加工設(shè)備時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)控車床（車削粗精加工）、大型龍門五軸加工中心（內(nèi)外壁壁粗去余量以及加工四周窗口）、大型龍門車銑復(fù)合中心等來進(jìn)行精加工。

框體類鈦合金零件機(jī)械加工工裝設(shè)計(jì)思路

考慮框體類鈦合金零件一般薄壁、易變形、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)其結(jié)構(gòu)分析，在工裝輔助設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必遵循以下的基本原則。

圖3 四軸聯(lián)動(dòng)大型龍門車銑復(fù)合加工中心

圖4 五軸聯(lián)動(dòng)大型加工中心（工作臺(tái)回轉(zhuǎn)）

（1）滿足工裝使用過程中工件定位的穩(wěn)定性和可靠性，有足夠的承載或夾持力，有適合零件的剛性結(jié)構(gòu)。

粗加工時(shí)，裝夾夾緊力可大，以防止在切削寬度、深度較大的大切削過程中零件的松動(dòng)；精加工時(shí)，考慮零件易變形，工裝夾緊力要稍小，但要可防止工件松動(dòng)。對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的特易變形零件，務(wù)必適當(dāng)增加輔助支撐工裝結(jié)構(gòu)。

（2）盡量充分考慮零件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（使用基準(zhǔn)）、工裝定位基準(zhǔn)及零件檢驗(yàn)基準(zhǔn)間的統(tǒng)一或關(guān)聯(lián)。

（3）滿足裝夾過程中的方法簡單與操作快捷。

（4）滿足工裝在調(diào)整、一并轉(zhuǎn)序或更換過程中具有可靠的重復(fù)定位性。

（5）盡可能地回避結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴，嚴(yán)格遵循手動(dòng)、氣動(dòng)、液壓、伺服的依次優(yōu)先設(shè)計(jì)采用原則。

（6）周向需要設(shè)計(jì)限位防轉(zhuǎn)裝置，防止二次裝夾沒周向基準(zhǔn)。

如批量較大，可以設(shè)計(jì)氣動(dòng)、液壓的自動(dòng)化夾具，實(shí)現(xiàn)加工時(shí)壓緊塊自動(dòng)讓位以及自動(dòng)回復(fù)壓緊。如是側(cè)面開槽（孔）以及其他涉及到可能在加工零件時(shí)會(huì)切削到工裝的情況，一般來講在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)讓位，更優(yōu)的方案是推薦該工裝匹配部位選用與零件相同的材質(zhì)，以避免刀具的損壞而帶來的質(zhì)量事故。

對(duì)于薄壁類框體鈦合金零件精度要求高的部位，工裝的裝夾可能會(huì)導(dǎo)致零件的新變形。因?yàn)樵谇邢鬟^程中，切削力、夾緊力之間的波動(dòng)效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生耦合作用，導(dǎo)致夾緊不當(dāng)?shù)母郊討?yīng)力、切削后的殘余應(yīng)力、工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力再次分布，當(dāng)工裝卸力后就產(chǎn)生加工后新的變形。為此針對(duì)特殊的部位，推薦運(yùn)用“過渡外形可調(diào)支撐”或“過渡外形柔性工裝”的辦法（見圖5），即根據(jù)自由狀態(tài)下零件過渡外形的形狀設(shè)計(jì)與之完全貼合的可調(diào)（柔性）支撐并夾緊。

如是加工大型薄壁鈦合金零件內(nèi)壁時(shí)，更多從節(jié)約成本的角度，一般通常采用碗狀包托與芯部襯托（見圖5、圖6）相結(jié)合的工裝結(jié)構(gòu)方式，這種方式可更有效地實(shí)現(xiàn)工裝的裝夾可靠。

框體類鈦合金零件機(jī)械加工常用刀具類型選擇

圖5 薄壁特易變形的框體類鈦合金零件的內(nèi)襯工裝示意（芯部襯托式）

圖6 加工框體類鈦合金零件內(nèi)壁工裝示意（碗狀包托+芯部襯托、可調(diào)柔性壓緊）

從提高效率、提升質(zhì)量、降低成本等3個(gè)綜合因素出發(fā)，加工框體類鈦合金的刀具既希望具有較高的熱硬性，又希望具有良好的耐磨性；既希望具有良好的抗沖擊性，又希望具有較好的韌性；既希望具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，又希望具有較低的化學(xué)活性。從這些希望出發(fā)，加工鈦合金常選用的刀具材料主要有硬質(zhì)合金、聚晶金剛石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）等。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證，硬質(zhì)合金和PCD刀具被認(rèn)為是加工鈦合金比較理想的刀具材料。

目前加工鈦合金選用刀具材料最優(yōu)先考慮、最廣泛推崇的是硬質(zhì)合金刀具。因?yàn)橛操|(zhì)合金具有相對(duì)成本低廉、導(dǎo)熱性較好、硬度較高、韌性和紅硬性較好的特點(diǎn)。依其化學(xué)成分可分為鎢鈷類（YG）、鎢鈷鈦類(YT)和添加稀有碳化物類（YW），目前在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中獲得廣泛應(yīng)用的仍然是鎢鈷類硬質(zhì)合金YG8、YG6、YG3等。如通常在粗車和斷續(xù)車削時(shí)采用YG8刀片，精車和連續(xù)車削時(shí)選用YG3刀片，一般加工則選用YG6刀片。如果使用添加的稀有金屬的細(xì)晶粒硬質(zhì)合金YA6、YD15、YG10H、YS2等，可提高刀具的壽命和加工效率。實(shí)踐中不選用鎢鈷鈦(YT)類硬質(zhì)合金刀具的原因是YT類刀片中含有鈦，它與被加工的鈦合金之間會(huì)發(fā)生很強(qiáng)烈的親和力，很快粘掉刀尖。

硬質(zhì)合金加工鈦合金速度可以達(dá)到45 m/min以上，但當(dāng)切削速度繼續(xù)增加時(shí)，刀具和工件接觸面的溫度迅速升高，同時(shí)由于Co的熔點(diǎn)較低，在高的切削溫度及元素?cái)U(kuò)散作用下，造成了刀具材料中W和Co元素的擴(kuò)散和流失，降低了刀具的硬度和韌性，使硬質(zhì)合金刀具發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形、粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損，導(dǎo)致刀具失效。因此，硬質(zhì)合金刀具只適合切削速度小于75 m/min的鈦合金。

聚晶金剛石刀具具有極高的硬度，也具有超高的耐磨性，還具有高彈性模量、高導(dǎo)熱系數(shù)、刃口鋒利、低摩擦系數(shù)以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點(diǎn)。該類刀具適用于鈦合金的精加工和超精加工。

聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，其硬度雖然略低于金剛石，但它具有比金剛石更好的特點(diǎn)是熱穩(wěn)定性高得多，可達(dá)到1200℃以上（金剛石的耐熱溫度只有700～800℃），化學(xué)惰性大，與鈦合金在1200℃時(shí)都不起化學(xué)反應(yīng)。PCBN刀具相比硬質(zhì)合金刀具，有著切削速度高、表面粗糙度質(zhì)量好和刀具壽命長等特點(diǎn)，為此PCBN刀具更適合用作鈦合金的精加工。但由于PCBN刀具脆性很大，在切削加工中務(wù)必忌諱斷續(xù)切削或突變余量切削。

框體類鈦合金零件加工的其他注意事項(xiàng)

不求高的切削速度，唯求可靠增大切削走刀量。過高的切削速度會(huì)導(dǎo)致刀刃過熱、刀刃粘結(jié)和擴(kuò)散磨損嚴(yán)重。走刀量的變化對(duì)溫度的變化不明顯，所以降低切削速度增大切削走刀量是合理、適宜的切削方式。

當(dāng)車削時(shí)為了改善散熱條件和增強(qiáng)切削刃，前角一般取5°～9°；為了克服因回彈而造成的摩擦，刀體的后刀面一般取10°～15°；當(dāng)鉆孔時(shí)，縮短鉆頭長度、增加鉆心的厚度和導(dǎo)錐量，鉆頭的耐用度可提高好幾倍。

不可缺少切削液，且水溶性切削液較為合適。但不能使用含有氯或其他鹵元素和含硫的切削液，這類切削液會(huì)對(duì)鈦合金的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。

針對(duì)易變形的鈦合金框體類零件，在數(shù)控精加工之前，原則推薦要進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量，要根據(jù)測(cè)量的結(jié)果仔細(xì)分析再分配加工余量以及再核定加工坐標(biāo)。

銑削加工先三軸加工后五軸加工，先面加工后孔加工。維持?jǐn)?shù)控編程加工坐標(biāo)系的統(tǒng)一，盡量合并工序減少翻面。與鈦合金接觸的所有工具、夾具等裝置都要事先側(cè)地潔凈。經(jīng)清洗過的鈦合金零件，要防止油脂污染，要避免手直接觸摸，操作人員或檢驗(yàn)人員應(yīng)當(dāng)戴干凈的手套進(jìn)行操作或檢驗(yàn)。