TC4薄壁鈦合金套數控加工工藝
發布者：TC4薄壁鈦合金套數控加工工藝2021-04-12 09:26:55
薄壁鈦合金套數控加工工藝希望對需要的社友有所幫助& P7 [( _# l' w; J- n0 {
1.鈦合金套加工工藝分析6 l0 ]0 n2 x. B9 G
如圖1所示，一種薄壁鈦合金零件壁厚僅為1.8mm，內孔的尺寸公差為0.1mm，內外圓同軸度要求為φ0.05mm，而且要求在薄壁套圓周上加工出36個寬度為0.6mm、長度為50mm的槽，零件材料為TC4，要求表面粗糙度值Ra=1.6μm，不僅有較高的尺寸加工精度與形位公差要求，而且要求表面粗糙度值低，加工難度較大。
/ `3 U! W1 ]! x2 I' r3 y
圖1 薄壁鈦合金零件
鈦合金材料在航空航天等領域有廣泛的應用，其特點如下：①導熱系數低，切削溫度高，相同條件下，TC4的切削溫度比45鋼高出1倍多。②加工過程中刀具與切屑的接觸長度短，這樣單位接觸面積上的切削力就會加大，易使刀具崩刃。③由于鈦合金的切削變形系數接近于 1，所以切屑在前刀面的滑動摩擦路程就會增加，刀具磨損速度加快。④化學活性大，在加工表面容易產生表面變質污染層，使組織不均勻，嚴重損傷刀具，出現缺口、崩刃及剝落等現象。⑤由于鈦合金親和性大、切削溫度高，切削時粘刀現象嚴重，在切削過程中會引起粘結磨損。
由于薄壁鈦合金套的表面粗糙度值為Ra=1.6μm，要求較高。同時，由于是型材管料，其外圓不需要加工，只需要拋光處理，所以要完成薄壁鈦合金套的加工，需要5個加工步驟：①粗車內孔。②銑圓周36個寬度為0.6mm、長度為50mm的分布槽。③去除內孔翻邊毛刺。④精車內孔。⑤拋光外圓。1 \- i+ m: \! y. S
2.內孔的粗加工
由于薄壁鈦合金套的壁厚僅為1.8mm，所以粗車內孔的裝夾方案選擇軟包爪，如圖2所示為焊接的銅軟包爪，在其尾部車有一個2mm的限位，限制薄壁鈦合金套長度方向的位置移動。; C0 a/ A5 Z6 m2 t& v
* y0 Q& |( I' n* f4 g
圖2 車床軟爪
$ k+ W: _5 N6 X1 _4 m! H- o
由于YT類硬質合金車刀與鈦合金材料結合力強，容易發生粘結磨損，所以粗車內孔的刀具選擇YG8硬質合金車刀，刀具的主偏角95°，副偏角35°左右，前角6°，后角9°，切削參數為：v=70m/min，f=0.2mm/r，ap=1mm。圖3所示為加工實況，內孔粗加工完成后，要給精加工留量0.15mm。5 w& ^8 d l% q5 y1 ^7 e
4 P! Q# e2 s! N$ a5 R5 l" `6 O
圖3 粗加工
$ h0 u% |# A$ Y5 F) L! k
3.圓周36個槽的加工8 U) x" V- g4 i' O
薄壁鈦合金套圓周上36個槽的加工，選擇在四軸立式加工中心上，利用分度頭通過一夾一頂的裝夾方案，如圖4所示。裝夾時需要做一個心軸2，心軸的一端外圓被三爪自定心卡盤3卡住，另一端外圓有一個止口并與薄壁鈦合金套筒4的一端內孔間隙配合，配合間隙為0.02mm，薄壁鈦合金套的另一端內孔與堵頭1的外圓間隙配合，配合間隙為0.02mm，堵頭的另一端端面中心打有中心孔，通過活頂尖5將其頂住。
圖4 銑槽裝夾示意圖
0 X2 |$ G, q) `% I- f. h8 {( `
1.堵頭 2.心軸 3.三爪自定心卡盤 4.薄壁鈦合金套筒 5.活頂尖
銑槽加工時，由于薄壁變形后應力集中，容易造成槽寬變窄，所以應使用厚度略大于槽寬的鋸片銑刀。這里刀具選用厚度為0.7mm、內孔直徑為22mm、外圓直徑為60mm的高速鋼鋸片銑刀，齒數為72齒，其中直徑為22mm的內孔與銑槽刀具的伸出軸間隙配合，配合間隙為0.02mm，圖5所示為銑槽刀具。7 M8 c/ B' p- N, ?. c: O* ]7 I8 b9 H
8 A5 B( i& v2 S0 J
圖5 銑槽刀具
; a6 r% J. M2 c [2 y+ T" G# m
銑槽加工參數選擇為：n=100r/min，f=25～30mm/min，ap=2mm。背吃刀量=鋸片厚度，這里吃刀深度≥薄壁套的壁厚1.8mm，因為經過試驗，如果不是一次切開而是分層切削，由于應力集中，第二次進刀就會在分層處造成刀具的崩刃甚至斷裂，同時加工效率大大降低，所以這里選擇ap=2mm。需要注意的是，鋸片銑刀沿鈦合金套筒套徑向進刀時，背吃刀量ap≥薄壁套壁厚1.8mm，不要分層銑削，否則切開的薄壁套在開口處由于應力集中，會使開口處產生變形，導致縮口，第 2次進刀鋸片銑刀不能順利進刀，導致鋸片銑刀出現崩刃或斷裂，致使加工不能順利進行。圖6所示為加工實況。
" M, U8 |& ^1 m9 ^
圖6 銑槽加工
, ~$ E. U. I7 k, i& }5 f; T8 D
4.內孔毛刺的去除
薄壁鈦合金套內孔銑削加工完成后，由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強，容易粘刀，所以銑出的毛刺不會輕易斷掉，而是卷曲在內孔的兩端，如圖7所示，所以需要將其去掉。采用的方法為利用尖嘴鉗將其逐一掰掉。由于掰掉后的內孔還會留有去不掉的毛刺，所以粗加工時留下的0.15mm精加工余量正好在精加工時將其去除。
圖7 內孔卷曲毛刺
u+ O1 k9 k$ h3 T [
5.內孔的精加工( k' @9 ]" f$ p# J& {+ \
薄壁鈦合金套的內孔精加工還是采用粗加工時的裝夾方案，即利用銅軟包爪裝夾外圓，利用內孔精車刀精鏜內孔。4 ]( u& j2 M* w5 m
鏜內孔精車刀選擇陶瓷刀具，刀具主偏角95°，副偏角35°，主前角8°，后角 12°。切削參數如下：n=400r/min，v= 55m/min，f=0.15mm/r，ap=0.15mm。* W# Z8 Y% m, M: m& Q% Y/ i' ?
6.外圓的拋光加工
由于薄壁鈦合金套內外圓毛坯比較規矩，外圓已經達到了規定的尺寸要求，所以不需要單獨加工，但是表面粗糙度不是太理想，需要進行外圓的拋光加工處理。: V0 v* r( h( {' p( J
外圓拋光也是選擇在數控車床上，通過三爪自定心卡盤與活頂尖一夾一頂的裝夾方案。如圖8所示，心軸的一端裝夾在三爪自定心卡盤上，心軸的一端外圓與薄壁鈦合金套的一端內孔間隙配合，配合間隙為0.02mm；薄壁鈦合金套的另一端內孔與堵頭的外圓相配合，配合間隙也為0.02mm，活頂尖與堵頭的中心孔相配合。3 n) p [7 Z; @5 d7 {1 K7 U+ J
7 m5 K. }" G i; A2 h6 z* z; r
圖8 外圓拋光
拋光的時候，先在薄壁鈦合金套的外壁涂一層專用拋光皂（見圖9），然后起動主軸，主軸轉速n=500r/min，利用拋光輪對其外圓進行拋光處理。" t7 h# t( N6 j1 }/ c
圖9 拋光皂
最終加工完成后的零件如圖10所示。
圖10 成品零件
7.結語# ~! T: G' [9 a) a- u/ \5 |. M
鈦合金材料是典型的難加工材料之一，我們在工作中要理論結合實際，不斷積累加工經驗，針對具體問題制定出切實可行的鈦合金加工工藝方案。本文對加工該類零件的設備、刀具、夾具、切削參數及其他一些工藝方法進行歸納、總結和論證、應用，以期更好地指導實踐中鈦合金的加工，文中的加工方法可能不是最佳方案，歡迎同行批評指正。
