鈦合金零件加工工藝方法探討

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摘要：鈦合金零件加工難度較大，容易出現加工變形等問題。以薄壁零件為例，本文在分析零件加工問題基礎上，從刀具選擇、工藝參數確定等方面提出了工藝改進方法，使零件加工合格率提高至90%，促使零件加工效率和質量得到了提升。

關鍵詞：鈦合金；薄壁零件；切削工藝

鈦合金作為性能優異的材料，在數控加工中得到了廣泛應用。但鈦合金零件加工也具有一定難度，容易因變形問題的產生造成零件加工質量無法達到要求。因此，還應加強鈦合金零件加工工藝方法研究，從而進一步推動鈦合金零件的大規模發展。

1鈦合金零件加工難點

鈦合金零件加工擁有一定難度，在切削加工前期將遭遇殼體性工件加工刀具消耗過快的問題，出現刀片材料磨損大、零件表面光潔度不達要求等情況，與鈦合金材料組織復雜、親和力大等因素有關。在實際加工過程中，由于晶格原子不容易脫離原本平衡位置，將造成切削溫度迅速升高，從而引起刀具磨損。而鈦合金導熱系數較小，散熱不佳，切削期間作業區域將實現溫度聚集，引起刀具崩壞，影響零件表面質量[1]。受走刀量、切削深度、速度等因素影響，零件加工期間遭遇機床振動將發生變形。薄壁零件剛性低，受切削應力影響，整體精度將受到影響。此外，鈦合金擁有較高化學活性，與氣體雜質發生化學反應將導致材料中加入O、N等元素，或引發晶格彎曲，造成材料塑性下降，或形成表面硬層，給刀具帶來損傷。因此采用鈦合金加工精密構件，受加工工藝影響，難以達到尺寸精度、形位公差等方面的要求。

2鈦合金零件加工工藝方法

2.1產品加工技術要求。某鈦合金零件屬于薄壁筒體，采用TitaniumCP2材料加工，薄壁位置壁厚達0.25mm，公差為0.025mm。零件外圓直徑為準20mm，內圓直徑為準17mm，口部5mm位置要求達到0.025mm內孔公差。按照零件加工要求，應達到較高零件配合精度，以便使相應附件貼合使用，需達到0.02mm平面度要求。2.2原有工藝加工問題。按照原有工藝，需要采用常規車削加工方法，在將毛坯底部夾緊后，將卡盤伸出約20mm，先對外輪廓進行粗、精加工，然后對內輪廓進行粗、精加工。采用傳統車削工藝，容易導致加工出的零件出現外圓同軸度與內孔超差問題，并且內孔圓度較差，存在孔口不平整和出口毛刺嚴重等情況，缺陷明顯。分析問題產生原因可以發現，機床主軸存在振動，并且鉆頭存在微小偏擺，導致其磨損將在零件上映射。受這一因素的影響，完成零件加工后需要采用人工方式進行毛刺的修整，導致零件加工效率較低，難度較大，容易出現孔口劃傷問題，造成零件加工合格率較低。作為薄壁零件，該零件內徑、底部壁厚需要達到較高加工要求。定位夾裝過程中，受徑向作用力影響，零件可能出現夾緊變形，加工后恢復彈性變形將導致尺寸誤差產生，造成零件報廢。2.3加工工藝方法優化。針對零件加工問題，結合鈦合金零件加工難點，還要對原本車削加工工藝進行改進，從刀具選擇、切削參數確定、冷卻液選擇和變形控制四個方面提出相應措施，使零件加工問題得到解決。2.3.1加工刀具選擇。在刀具選擇上，常規車削工藝多采用W18Cr4v刀具，其在不超過400°的條件下可以正常工作。在薄壁鈦合金零件加工過程中，采用該類刀具由于熱導率較低，切削加工熱在刀尖聚集，導致刀具局部溫升過快，磨損嚴重，造成刀面與加工表面產生強烈摩擦，影響了零件加工表面質量。針對這一情況，還應重新進行刀具材料選擇。針對鈦合金材料，可以選擇YT類硬質合金刀片，但是車削鈦合金車刀與切屑頻繁接觸，刀具接觸面單位切削力較大，為避免硬質合金刀片崩壞，還應選擇高鈷高速鋼刀具[2]。在實際加工過程中，考慮到該類刀具價格較高，還要完成集中刀具材料對比，最終選擇硬質合金GC1115，PVD涂層刀片，其價格相對較低，并且因為加入少量稀有元素得到了耐磨性的提升。在零件加工過程中，粗、精加工都會受到刀具幾何角度的影響。因此除了選擇刀具材料，還要做好幾何角度選擇。針對鈦合金，車刀后角相對敏感，在切削層金屬彈性擁有較大硬度和恢復的情況下，需要對大后角進行運用，以便使刃口能夠輕松切入金屬層，使刀具磨損得到減小。但后腳超過15°，容易造成金屬粘附，因此還應采用15°后角。選取這一數值，能夠增強刀刃的鋒利性，從而使切削溫度得到降低。早刀尖圓角選擇時，結合刀具廠家推薦值，可以選擇5-8°前角和15-18°后角。2.3.2加工參數的確定。作為薄壁鈦合金零件，在加工期間一直將釋放應力。在毛坯材料受熱的情況下，薄壁零件加工各工序都會產生殘余應力，導致零件發生變形。想要實現殘余應力的控制，還要對零件受熱和機械力因素展開綜合分析，采用有限元分析軟件完成數值分析，確定零件變形影響，從而通過科學確定切削參數提高零件加工質量。按照這一思路，可以實現切削參數的合理選擇，使機械加工保持較低切削速度，控制在30-50m/min范圍內。在粗加工階段，還應完成較大進給量的選取，精加工需要完成適合進給量的設置。具體來講，可以將平端面進給量控制在0.15-0.20mm/轉范圍內，粗車外圓在0.20-0.30mm/轉之間，精車外圓在0.05-0.10mm/轉之間，鉆孔進給量應在0.03-0.05mm/轉范圍內。在車削深度選擇上，考慮到鈦合金材料具有較強親和力，還應達到1/3d，以便因切削深度過大造成刀具燒斷。在實踐操作中，還應做好精加工量的控制，考慮到零件表面可能形成0.1-0.15mm硬化層，為避免刀具磨損還應加強切削余量控制。具體來講，就是將平端面、粗車外圓、精車外圓、鉆孔切削深度分別控制在0.7-0.9mm、1.2-1.5mm、0.1-1.5mm和0.25-0.35mm范圍內。2.3.3冷卻液選擇。鈦合金零件在車削期間，會出現切削溫度不斷提升的問題，導致刀具使用壽命受到影響。吊切削溫度進行降低，能夠使切削抗力得到降低，從而使刀具磨損得到減少。針對鈦合金薄壁零件加工溫度集中的問題，還要做好冷卻液的選擇，以便使零件加工效率和質量得到提升。實際在選擇切削液時，還要結合刀具使用情況和工藝安排完成合理選擇。根據薄壁鈦合金零件加工特點，還應避免采用含氯冷卻液，以免造成零件發生氫脆和產生有毒物質，同時避免因高溫應力的產生導致零件出現腐蝕開裂問題[3]。實際生產中，可以選用嘉實多等冷卻液，屬于高性能、高極壓特性的水溶性切削液，能夠在各種金屬材料的苛刻加工中得到應用，產生的機床表面污漬沉積容易被清除。零件加工期間，還要提供充足冷卻液，使其保持較快循環速度，增大壓力和切削液流量，確保冷卻液的降溫作用能夠有效發揮。2.3.4切削變形控制。在變形控制方面，零件粗加工后直接采用精加工方式，將導致加工余量過大，無法完全釋放應力，在走刀量較快時將產生大的徑向切削力，引起零件變形。針對這一問題，還要增設半精加工環節，在粗加工后先進行半精加工，最后進行精加工。在精加工過程中，還應加強切削速度控制，以免出現切削振動問題。在精加工后，考慮到流程加工應力難以全部消除，還應實現熱處理，使零件加工變形得到最大程度避免。在坯料粗加工之前，也可以進行零件熱處理，以便使零件機械性能得到保證，同時使熱處理帶來的變形得到減少。由于零件加工變形與夾具存在一定關系，還要結合薄壁鈦合金零件強度低的選擇進行夾具選擇。針對底部等壁較薄的位置，還應選擇三爪卡盤，以便使受力點數量和零件與夾具接觸面積得到減小。在卡盤夾緊力較大時，容易導致薄壁零件發生變形。針對這一情況，可以采用開縫套筒適當增加接觸面積，以便使夾緊力能夠在工件上均勻布置，使零件變形問題得到改善。2.4優化內容及效果分析。從工藝優化內容上來看，針對薄壁鈦合金零件車削加工問題，主要通過選擇適合工具、改進工藝流程與參數、使用冷卻液三種途徑提高零件加工質量和效率。首先，針對薄壁零件加工容易出現應力集中情況的問題，通過選擇適合夾具、刀具等工具改進零件加工效果。在零件數控加工期間，薄壁零件強度較低，夾緊力大小將關系到零件是否會發生變形。選擇適合夾具，能夠在強度大的位置施加夾緊力或使零件夾緊力得到均勻分布，從而使零件加工精度得到提高。而刀具材料和角度的合理選擇，可以使刀具保持輕快切削。在精車期間，適當增大前角，能夠使刀刃圓弧半徑減少，使刃口保持鋒利，繼而通過減小切削熱和切削力防止零件發生變形。其次，采用粗、半精和精加工的工藝流程，能夠使零件加工殘余應力得到進一步釋放。對切削深度、進給量等加工參數進行合理選擇，能夠加強車削加工對零件影響量控制，使零件加工精度得到保證。最后，針對鈦合金零件溫度應力較高問題，加強冷卻液的使用能夠降低車削溫度，使由溫度引起的零件變形得到減少[4]。按照改進工藝完成數控加工編程，對薄壁零件進行加工可以發現，由于零件加工精度得到了提高，外圓同軸度與內孔超差問題得到了解決，孔口能夠保持平整，零件本身無變形情況發生。比較工藝改進前后零件加工效果可以發現，工藝改進前零件加工合格率僅達70%，需要依靠人工方式進行毛刺處理，加工效率較低；工藝改進后零件加工合格率提高至90%，能夠一次性加工成型，因此能夠使零件加工質量和效率得到了提高，為零件加工帶來可觀效益。

3結論

綜上所述，針對鈦合金零件進行加工，還要結合零件加工難度采取措施對傳統車削工藝流程進行改進，通過合理選擇刀具材料、角度、冷卻液和實現工藝參數調整提高零件加工質量和效率，從而推動車削加工技術的發展。

參考文獻：

[1]卞偉宇，王巍.典型鈦合金梁零件加工工藝改進[J].工具技術，2019（04）：124-125.

[2]孫攀攀，王勃，謝新春，等.大懸臂鈦合金零件加工變形控制方法[J].新技術新工藝，2018（11）：57-61.

[3]石含關.弱剛性鈦合金薄片零件加工工藝研究[J].機械研究與應用，2018，31（05）：158-160.

[4]王義嘉.薄壁鈦合金零件尺寸穩定化熱處理研究[J].內燃機與配件，2018（13）：155-156.

作者:姜俊伯 吳銳 單位:中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司制造工程部