鈦合金精密零件鏜銑加工工藝研究

樊鵬飛， 張 剛， 吳利庚

（天津航天機電設(shè)備研究所， 天津 300458）

1 鈦合金精密零件加工難點

1.1 鈦合金材料難加工

鈦合金材料性能特殊，其熔點較高、硬度較大，且激活能大，而且組織結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材料硬度過高或過低都不利于加工，導(dǎo)致其加工難度較高。當(dāng)鈦合金材料布氏硬度（HB）大于350 時，已無法使用普通切削工具對其進(jìn)行切削；當(dāng)鈦合金材料布氏硬度（HB）小于350 時，切削工具作業(yè)時又會發(fā)現(xiàn)粘連現(xiàn)象。

1.2 切削溫度高

鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)在不銹鋼和高溫合金之間，比高溫合金高，但比不銹鋼要低。TC4 的導(dǎo)熱系數(shù)為0.019，當(dāng)切削作業(yè)時，會產(chǎn)生大量的切削熱，切削熱積聚在一起形成了更高的切削溫度。切削溫度最高可以達(dá)到1 000 ℃左右。

1.3 零件易變形

零件在加工過程中容易發(fā)生變形。鈦合金材料特殊，其加工過程中稍不注意便會出現(xiàn)各種變形的現(xiàn)象，材料變形之后其各項功能將不能正常發(fā)揮，性能變差，嚴(yán)重影響材料使用，造成浪費，成本增加。

1.4 零件易出現(xiàn)過定位

鈦合金精密零件定位基準(zhǔn)是由四段圓弧構(gòu)成，這種定位會使得材料在加工過程中定位偏差，出現(xiàn)過定位的情況。一旦發(fā)生過定位，將會嚴(yán)重影響材料的加工精度。

2 精密零件加工工藝及加工過程規(guī)劃

2.1 加工工藝方法

為了更好地加工鈦合金圓形構(gòu)件，首先，通過粗車加工零件兩端的外形，并且單邊預(yù)留0.5 mm 的余量。但是考慮到鈦合金材料在加工中由于溫升而出現(xiàn)變形，因此加工過程中必須采用切削液進(jìn)行冷卻處理。其次，通過半精車加工零件，當(dāng)零件冷卻后，再使用90°的外圓刀將零件的基準(zhǔn)外圓加工成型，為了避免加工中出現(xiàn)外力導(dǎo)致的變形，需采用軟夾固定零件外形，并且采用微米杠桿表予以校正，保證加工中圓跳動達(dá)到0.005 mm 以內(nèi)，由于加工無法一次到位，所以要保證單邊余量在0.1～0.2 mm。最后，對零件進(jìn)行精車，通過前面兩步加工，毛坯已經(jīng)大致成型，精車將零件的余量完全切削，然后鏜孔、銑削等，保證零件的尺寸和精度要求。精車中還要進(jìn)一步校正零件外形，控制加工尺寸精度在0.005 mm 以內(nèi)[1-3]。

2.2 加工過程規(guī)劃

2.2.1 工步規(guī)劃與刀具選用

在粗車階段，可以首先采用四刃直柄立銑刀將毛坯料銑削處理，得到初步零件輪廓，然后再使用橫槽車刀進(jìn)一步加工處理得到零件輪廓尺寸。在半精車過程中，要選擇成型精度好及切削穩(wěn)定的球頭銑刀。另外，加工中盡量不選用大直徑刀具，在粗加工中可以采用Φ12 mm 的立銑刀，但是在半精車中則需要采用Φ10 mm 的球頭銑刀。于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量低，所以非常難加工，在加工中可以通過涂層改善，如可以運用抗氧化性和抗黏結(jié)性較好的硬質(zhì)鈦合金涂層材料。

2.2.2 選擇合理的刀具角度及切削方向

對帶有錐度的零件加工時，銑削過程可以采用以下兩種軌跡進(jìn)行：第一是跟隨特征；第二是螺旋軌跡。這兩種加工刀具路徑策略可以清晰地觀察到刀具移動軌跡，方便控制。其中跟隨特征也就是圓弧分層銑削，是通過分層切削的方式進(jìn)行加工，先沿著型面完成一層，然后調(diào)整高度，再加工下一層；螺旋加工軌跡是刀具自某點下刀，然后沿著螺旋軌跡連續(xù)加工[4]。

2.2.3 合理地選擇夾具定位和夾緊方式

本次加工的鈦合金零件是一種曲面回轉(zhuǎn)體，夾具設(shè)計長度不能超過10 mm，可以通過對稱固定，采取四段圓弧來消除過定位問題。壓板同樣采取四段，中間消氣避免加工的四個孔位提升定位的精度和避免出現(xiàn)加工受力后的彈性擠壓形變影響。

2.2.4 采用合理的切削用量

在加工中，計算好加工切削量，由于加工過程是一個動態(tài)過程，刀具與零件加工中會引起振動，要預(yù)留一定的余量，避免加工切削時由于振動導(dǎo)致的加工變形。

2.2.5 定位基準(zhǔn)采用慢走絲精加工工序

另外，通過上述規(guī)劃可知，零件定位精度會直接影響加工精度，所以在加工中要保證零件的定位不變，則需在基準(zhǔn)加工中選用慢走絲加工方式，保證切削力在允許的范圍內(nèi)，即通過控制外力作用來避免加工變形，使得零件加工尺寸精度具有一致性。

2.2.6 采用真空熱處理方式改善加工性能

另外，為了解決熱變形的問題，在加工前，可以通過真空熱處理對加工性能進(jìn)行改善，并且消除熱處理時的氧化問題。具體操作為：粗車之后，對零件輪廓進(jìn)行真空熱處理，處理溫度為750 ℃，處理時間在1 h 左右；在半精車中，為了提高零件組織強度，可以半精車之后，再將零件進(jìn)行真空處理，處理溫度和處理時間分別為600 ℃和1 h，確保零件表面不會被氧化，從而提高加工性能，消除零件內(nèi)應(yīng)力。

2.3 零件加工可行性驗證

本文通過對多批次的鈦合金零件進(jìn)行加工試驗，嚴(yán)格按照上述規(guī)劃方案，同時控制好機床銑削的“三要素”，杜絕加工中刀具振動，避免機床與零件共振，從而達(dá)到消除加工切削時的零件變形問題。表1 和表2 分別為加工鏜刀材料及銑削面的加工精度效果。

表1 鏜刀材料參數(shù)與效果

表2 加工精度效果

在對鈦合金零件反復(fù)加工摸索中，根據(jù)不同的加工階段，經(jīng)過嘗試得到了表3 的加工刀具角度值，對于鈦合金精密零件加工，對鏜刀角度的合理規(guī)劃可以降低切削刀具本身與加工零件的摩擦，有利于延長刀具的壽命。另外，在加工中及時添加乳化液和冷卻切削液等，保證零件表面不會污染和氧化，同時能及時除掉刀尖的切削屑堆積，降低切削區(qū)的溫度。

表3 加工刀具的角度規(guī)劃值

另外，鈦合金材料還具有較大的親和力，切削時產(chǎn)生的屑不容易脫落，使得這些碎屑黏在刀具上，即所謂的黏刀現(xiàn)象，然后再加工中極容易導(dǎo)致刀具磨損，時間一長，刀具將無法使用。本文在加工工藝分析中，提出來的粗車和半精車采用真空熱處理操作對加工的毛坯零件進(jìn)行處理，可以大幅度改善鈦合金零件的切削加工性能，同時能提高刀具的使用壽命。在精車之前，同樣要對基準(zhǔn)端面進(jìn)行修正操作，根據(jù)加工零件的精度要求，認(rèn)真校正，保證基準(zhǔn)孔的定位尺寸精度。

裝夾采用的四段小圓弧可以保證定位精度滿足加工要求，避免過定位問題，還可以減少零件彈性形變。待零件加工完成后，還要進(jìn)行三個循環(huán)的熱處理，以穩(wěn)定材料組織，熱處理的溫度和時間分別為50～60 ℃、1.5～2.0 h；穩(wěn)定尺寸的熱處理溫度和時間為90 ℃和3 h。經(jīng)過加工分析，可以得到合格率為96%的鈦合金精密零件。

3 結(jié)論

在對鈦合金精密零件進(jìn)行加工時，要首先根據(jù)零件的情況選擇合適的刀具，并根據(jù)相關(guān)情況規(guī)劃好切削要素，從而最大限度地降低零件變形的可能性，進(jìn)而幫助提高鈦合金精密零件在加工過程中的質(zhì)量。加工過程中，要進(jìn)行真空熱處理，嚴(yán)格按照三個階段的步驟和要求，進(jìn)而消除加工過程中的應(yīng)力。另外，要對定位基準(zhǔn)進(jìn)行把控，盡量采用線切割精加工的方式，從而避免切割過程中出現(xiàn)定位偏差。除此之外，熱處理三個循環(huán)的工藝方法能降低零件加工過程中的變形程度，提高材料加工的精密度和質(zhì)量，提升零件加工的合格率，自此，零件加工合格率至少在95%。