TC4鈦合金浮球車削加工研究

劉衛(wèi)標(biāo)

（云南昆鋼重型裝備制造集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650501）

鈦合金浮球因其獨(dú)特的高強(qiáng)度，耐腐蝕性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在深海領(lǐng)域，探測(cè)海底地形地貌，海底生態(tài)環(huán)境。隨著我國(guó)海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，深海探測(cè)將越來越頻繁，對(duì)鈦合金浮球的需求將越來越大。但是，由于鈦合金難以加工的性能，造成浮球產(chǎn)量受限，成本高居不下。如何突破加工瓶頸，成為大家攻克的難關(guān)。

1 TC4鈦合金材料性能

鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于(a+b)型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)機(jī)械性能。TC4的強(qiáng)度sb=1，012MPa，密度g=4.4×103，比強(qiáng)度sb/g=23.5。熱導(dǎo)率低l=7.955W/m·K，為鐵的1/5、鋁的1/10。彈性模量較低E=110GPa，約為鋼的1/2。

鈦合金屈強(qiáng)比高，變形抗力和變形回彈量大，在薄壁部位車削加工時(shí)容易產(chǎn)生變形。鈦金屬在高溫下仍能保持其硬度和強(qiáng)度，因而切削刃會(huì)遭遇高作用力和應(yīng)力，再加上切削區(qū)產(chǎn)生的高熱，意味著很可能出現(xiàn)加工硬化，這會(huì)導(dǎo)致某些問題產(chǎn)生，特別是不利于后續(xù)切削工序。鈦合金化學(xué)活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷、擴(kuò)散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。因此切削加工時(shí)冷卻液要保證充足，冷卻液循環(huán)速度要快，切削液流量和壓力要大[1]。

2 鈦合金浮球特點(diǎn)

①該球體有上下兩半組成，裝配后，兩球體球心不重合，直徑最大為700mm；成品重量約90kg半球重量45kg。②該球體為薄壁件，最薄處厚度為13mm，最厚處26mm。③兩個(gè)半球的結(jié)合面、尾部端面加工精度要求高，表面精度Ra0.8。

加工好的浮球如下圖所示。

圖1 浮球成品

3 切削加工

3.1 粗車加工

粗車是指表面的粗度加工，主要是將工件表面的剩余材料切削掉，對(duì)表面要求不高，以及幾何尺寸也要求不高。粗車加工主要是去除加工表面大部分的加工余量，在允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡量選擇的大的切削深度和進(jìn)給量，以生產(chǎn)效率為主。粗車時(shí)，采用普通的臥式數(shù)控車床，刀具選用YG3，YG8。鈦合金車削時(shí)表面會(huì)硬化，采用大的進(jìn)刀量，刀尖要吃過表面硬化層，配上合適的轉(zhuǎn)速，粗車吃刀量0.8mm效果較好。由于加工余量較大，最大切削深度曾經(jīng)達(dá)到1.8mm。YG8硬質(zhì)合金刀具特點(diǎn)。密度：14.6-14.8；硬度HRA：90.5；抗彎強(qiáng)度2300Mpa。抗彎強(qiáng)度高，抗沖擊，抗振性較好，適于鑄鐵、有色金屬及其合金、非金屬材料的低速粗加工。

圖2 初加工

3.2 精車加工

精車是加工工藝中的精加工工序，需要保證產(chǎn)品的尺寸公差，形位公差，表面粗糙度的相應(yīng)要求。精加工主要是達(dá)到零件的全部尺寸和技術(shù)要求，半精車和精車應(yīng)盡量選取較小的切削深度和進(jìn)給量，而切削速度則可以取高點(diǎn)，精車要求車削深度要小，走刀量也要小，精車完畢后，不但工件的直徑幾何尺寸要合格，而且對(duì)表面的粗糙度要求也要合格[2]。

鈦合金化學(xué)活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷、擴(kuò)散，造成粘刀，加工時(shí)要選用不含鈦元素的刀具，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)山特維克的專用車刀比較理想，刀具材質(zhì)選用1105或者1115。

精車分內(nèi)腔加工與外壁加工兩道工序。

（1）內(nèi)腔加工在數(shù)控立車上進(jìn)行，加工時(shí)轉(zhuǎn)速不易過快，上端部加工轉(zhuǎn)速控制在42r/min以內(nèi)。隨著加工越來越靠近底部，直徑越來越小，線速度越來越快，當(dāng)線速度升高到一定程度時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整，最高轉(zhuǎn)速不能超過75r/min。切削液用的是安默琳（ARMORINE）半合成冷卻液，型號(hào)為METKOOL605。精加工采用中等進(jìn)刀量，基本控制在0.5mm，最后一刀控制在0.05mm。加工兩個(gè)半球的接合面時(shí)，要求表面精度Ra0.8。將轉(zhuǎn)速控制在40r/min，配合0.05mm的進(jìn)刀量，成品檢驗(yàn)時(shí)光潔度為R0.47。

圖3 外壁加工

圖4 內(nèi)壁加工

（2）外壁加工時(shí)，應(yīng)先在銑床上加工掉底部的工藝夾頭。安裝緊固采用專用工裝夾具，確保工件穩(wěn)固。

外壁加工工藝與內(nèi)壁加工相同。

4 鉆孔加工

TC4鈦合金的攻絲是一大問題，只能采用手動(dòng)攻絲，攻絲前先用機(jī)床引一下（大概2牙～3牙）。絲錐選用日本螺旋絲錐，要保證絲錐的排屑性好，有條件應(yīng)減小絲錐刀口后角，盡量減少絲錐和TC4的接觸面積，潤(rùn)滑液用四氯化碳。工件上直徑30mm的孔有光潔度要求，先用25的鉆頭打個(gè)孔，然后用鏜的方式加工，同樣用大吃刀低轉(zhuǎn)速，不能直接鉆[3]。

5 結(jié)論

TC4鈦合金由于其獨(dú)特的材料特性，造成其獨(dú)特的車削加工性能。本工件為薄壁球形體，加工過程復(fù)雜，不同的階段配合不同的轉(zhuǎn)速與進(jìn)刀量，采用“低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給、大切深”加工工藝，很好地完成了工件的加工，尺寸精度與表面精度都達(dá)到了圖紙的要求。