鈦合金端面槽精密數(shù)控車削加工工藝研究

張文明，楊新一，王 勃

(1.中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009；2.國(guó)網(wǎng)汝陽縣供電公司，河南 汝陽 471200)

鈦合金由于具有高強(qiáng)度、低密度和高耐腐蝕的特點(diǎn)，在航空航天工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。然而在加工過程中，刀具耐用度低，熱導(dǎo)率小，粘刀嚴(yán)重，其屬于難加工材料[1-2]。

1 鈦合金端面槽結(jié)構(gòu)及加工技術(shù)要求

方位軸下支座是光電探測(cè)設(shè)備方位部件中的關(guān)鍵零件，其涉及到多組精密軸孔配合，包括軸承配合、裝調(diào)基準(zhǔn)、靜密封和動(dòng)密封等。其中，方位軸座端面槽側(cè)壁是保證整機(jī)產(chǎn)品密封性能的關(guān)鍵特征，其尺寸精度、幾何誤差要求嚴(yán)格(見圖1和圖2)。

圖1 端面槽結(jié)構(gòu)

圖2 端面槽加工技術(shù)要求

2 鈦合金端面槽精密車削工藝難點(diǎn)

根據(jù)該零件的技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用臥式車削中心進(jìn)行加工，通過專用工裝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，可以一次裝夾完成多處內(nèi)外圓的加工，也能更好地保證工件的幾何公差、尺寸精度等。

方位軸下支座的端面槽在加工過程中存在較大的刀具干涉深度，需要采用專用的端面槽刀配合切削鈦合金的專用刀片進(jìn)行加工。本著先粗后精、基面先行的加工原則，制定了方位軸下支座的數(shù)控車削加工工藝路線(見表1)。

表1 端面槽精密車削加工工藝路線

采用上述加工工藝加工的端面槽零件，檢測(cè)結(jié)果顯示，端面的尺寸及幾何公差均滿足產(chǎn)品性能要求，但是表面粗糙度>Ra6.3 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到圖樣Ra0.8 μm的設(shè)計(jì)要求。端面槽的加工效果圖如圖3所示，可以看到加工表面具有明顯的魚鱗狀顫刀紋。

圖3 方位軸下支座端面槽車削加工效果圖

3 鈦合金端面槽精密車削加工工藝研究

方位軸下支座的端面槽結(jié)構(gòu)加工干涉距離長(zhǎng)，需要長(zhǎng)懸伸的加工刀具，在加工過程中出現(xiàn)了明顯的顫刀紋，分析導(dǎo)致端面槽顫刀紋的原因如下。

1)切削力過大，而機(jī)床系統(tǒng)剛度不能滿足該切削力，則導(dǎo)致了顫刀紋的出現(xiàn)(切削參數(shù)設(shè)置不合理，切削參數(shù)的設(shè)置直接決定了切削力的大小[3]；刀具選型不合理，刀具的幾何參數(shù)與切削力緊密相關(guān)；上述原因均可導(dǎo)致)[4-5]。

2)利用端面槽刀加工端面槽具有其工藝方法本身的局限性，無法加工出高質(zhì)量的零件表面[6-7]。

3.1 切削參數(shù)的影響

根據(jù)切削顫振原理，未加工表面的表面波動(dòng)會(huì)被復(fù)現(xiàn)，即產(chǎn)生再生型顫振，因此控制好端面槽粗加工質(zhì)量至關(guān)重要。根據(jù)金屬切削原理，切削力與切削參數(shù)之間存在復(fù)雜的指數(shù)，對(duì)于端面槽車削粗加工來說，其切削寬度由刀片的寬度決定，是恒定值，主要控制主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度[8-9]。

切削力會(huì)隨切削速度的增大而減小，但是切削速度的增大會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加快；進(jìn)給速度越快則切削力越大，因此筆者將進(jìn)給速度控制在最低的數(shù)值0.01 mm/r。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將車削鈦合金的線速度控制在100 mm/min以內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)，不同線速度下的加工效果如圖4所示。

《魯迅小說》前100、字中獨(dú)有的17字為：“眼、便、吃、幾、見、老、兩、年、氣、卻、三、聲、十、四、似、太、阿”；《北語字表》獨(dú)有的17字為：“種、當(dāng)、兒、爾、發(fā)、會(huì)、開、能、情、如、身、斯、特、現(xiàn)、意、用、把”。

圖4 不同線速度下端面槽車削效果

從加工效果來看，使用端面槽刀開端面槽時(shí)，在100 mm/min的線速度范圍內(nèi)，改變切削線速度對(duì)消除顫刀紋的效果不明顯。

開槽后，用端面槽刀對(duì)槽擴(kuò)寬，通過改變切削線速度vc、Z向進(jìn)給量f以及背吃刀量ap，來試驗(yàn)不同切削參數(shù)下的表面加工質(zhì)量，試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 端面槽擴(kuò)槽加工試驗(yàn)參數(shù)

按照表2所列加工參數(shù)對(duì)端面槽進(jìn)行擴(kuò)槽加工試驗(yàn)，端面槽車削效果如圖5所示。由圖5可以看出，加工表面仍存在較為嚴(yán)重的顫刀紋，并且顫刀紋的大小隨參數(shù)的改變沒有明顯的變化。

圖5 不同切削參數(shù)下端面槽車削效果

可見，使用目前的端面槽刀對(duì)零件進(jìn)行加工，在試驗(yàn)的加工參數(shù)范圍內(nèi)，加工參數(shù)的改變沒有提升零件的表面質(zhì)量。

3.2 刀具幾何參數(shù)的影響

切削力的大小與刀具的幾何參數(shù)息息相關(guān)，減小刀具前角，增大后角，可以使刀具更加鋒利，會(huì)減小切削層的變形及前面屑摩擦力[10-11]；而刀尖圓弧越小，刀具越鋒利。因此，主要改變刀具這2個(gè)方面的幾何參數(shù)，來觀察加工的效果。

不同前角下端面槽車削效果如圖6所示。根據(jù)加工效果可知，隨著刀具前角的減小，表面顫刀紋明顯減小。

圖6 不同前角下端面槽車削效果

不同刀尖圓角下端面槽車削效果如圖7所示。根據(jù)加工效果可知，刀具刀尖圓角的改變對(duì)端面槽表面顫刀紋的消除效果不明顯。

圖7 不同刀尖圓角下端面槽車削效果

由上述分析可知，在加工鈦合金端面槽的過程中，應(yīng)盡量選取小前角的刀片進(jìn)行加工。

3.3 加工方法的影響

利用端面槽刀精車鈦合金端面槽，通過改變刀具的幾何參數(shù)，端面槽表面質(zhì)量出現(xiàn)了明顯的改善，但并未消除顫刀紋；因此，考慮端面槽刀不適宜具有長(zhǎng)干涉區(qū)的鈦合金端面槽的精密車削加工，需要更換其他工藝方法。

對(duì)端面槽進(jìn)行了鏜削加工，采用40的鏜刀柄，刀具前角為0°。鈦合金端面槽鏜削加工及表面質(zhì)量如圖8所示。

圖8 端面槽鏜削加工及效果

對(duì)端面槽進(jìn)行鏜削加工發(fā)現(xiàn)，表面的顫刀紋完全消除，且表面粗糙度可以達(dá)到Ra1.6 μm，接近零件的設(shè)計(jì)指標(biāo)。為了進(jìn)一步降低零件表面粗糙度，對(duì)端面槽進(jìn)行拋光處理，最終使零件表面完全符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.4 工藝路線設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鈦合金端面槽精密數(shù)控車削加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的端面槽精密車削加工工藝路線見表3。

表3 優(yōu)化后的端面槽精密車削加工工藝路線

4 結(jié)語

鈦合金端面槽在車削加工過程中容易產(chǎn)生顫刀紋的質(zhì)量缺陷，通過改變端面槽刀的幾何參數(shù)可以減弱加工表面的顫刀紋，但是不能完全消除。通過增加鏜削和拋光的加工工序，不僅可以完全消除顫刀紋，同時(shí)可以大幅提升鈦合金端面槽的表面加工質(zhì)量。

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