鈦合金是一種重要的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。但鈦合金密度較大、導(dǎo)熱性差，切削加工中切削力較大并產(chǎn)生高溫，加工后表面會(huì)產(chǎn)生變形。因此，加工鈦合金異形零件時(shí)需要采取合理的工藝措施。
1、零件加工及材料分析
1.1材料特性分析
該零件采用TC4鈦合金，是新型鈦合金材料，由α相和β相組成，α相晶粒尺寸約5~10μm，β相晶粒尺寸約30~50μm，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫，切削加工性能良好等特點(diǎn)。由于TC4鈦合金密度較大（約為2.23g/cm3），導(dǎo)熱性差，所以要控制切削溫度和加工變形。
1.2加工難點(diǎn)分析
鈦合金強(qiáng)度高，抗彎強(qiáng)度高，切削溫度高，導(dǎo)致零件穩(wěn)定性差，易變形斷裂，刀具易磨損，零件尺寸精度難以保證。加工鈦合金會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，引起很大熱應(yīng)力，會(huì)加劇刀具磨損、工件開裂，增大切削力。熱膨脹系數(shù)大、彈性模量低而易產(chǎn)生加工變形；零件不對(duì)稱且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝夾剛性不足，也會(huì)造成變形。因此，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，減少刀具磨損，提高生產(chǎn)效率，降低加工成本，需要選擇合適的刀具和切削量。
該零件形狀復(fù)雜，加工切削力大、溫度高。其硬度58—63HRC，若直接用硬質(zhì)合金刀具加工，加工硬化嚴(yán)重，導(dǎo)致切削力增大、切削溫度升高；熱處理后，材料硬度提高至61—63HRC左右，主要化學(xué)成分由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵牧暇哂懈邚?qiáng)度、塑性和韌性，能有效降低切削力和溫度。因此，TC4鈦合金熱處理后再加工較為合理。TC4鈦合金是典型難加工材料，用硬質(zhì)合金刀具切削易粘刀。并且該零件為精密件，對(duì)刀具要求更高。
2、毛坯加工工藝及刀具選擇
2.1毛坯加工方案
針對(duì)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易產(chǎn)生加工變形，以及切削溫度高、切削力大、切削抗力強(qiáng)等特點(diǎn)，宜采用整體加工。確定先銑削加工毛坯，然后與夾具鉚接后再車銑加工。
2.2毛坯加工刀具參數(shù)設(shè)計(jì)
毛坯采取立銑加工。銑刀刀齒要有足夠強(qiáng)度、剛性和耐磨性；刀齒與工件接觸部位應(yīng)潤滑良好；切削速度不能太低，保證足夠切削深度，切削量合理，盡可能縮短切屑與刀具接觸時(shí)間。最終決定采用后角10°~12°、每齒進(jìn)給量0.20mm/r、切深0.015mm的6齒立銑刀加工。根據(jù)零件加工特點(diǎn)及精度要求，設(shè)計(jì)兩種刀具：刀片直徑?1.2mm、?1.5mm，刀體尺寸?200mm×1000mm，刃長250mm。
3、零件加工工藝設(shè)計(jì)
3.1粗加工
針對(duì)鈦合金零件粗加工變形問題，采用粗車余量設(shè)定為0.1~0.2mm，精車余量設(shè)定為0.3~0.5mm的加工方案。先將外表面粗車余量控制在0.2~0.3mm，粗糙度控制在Ra0.4以內(nèi)。然后用3種不同直徑的CNC數(shù)控車床粗車，加工后外表面粗糙度控制在Ra0.8以內(nèi)，再用3種不同直徑的數(shù)控銑床精加工。粗加工時(shí)，先加工外圓輪廓，用車刀刀尖修平，保證刀具與工件中心線一致。粗車時(shí)要夾緊力均勻，避免已加工表面產(chǎn)生過大變形。精車時(shí)根據(jù)零件尺寸選擇進(jìn)給速度和加工時(shí)間，控制主軸轉(zhuǎn)速。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，粗車可采用較大進(jìn)給量，精車減少進(jìn)給量和加工時(shí)間。精車后將零件表面粗糙度控制在Ra0.1以內(nèi)，打磨后粗糙度在Ra0.2以內(nèi)。
3.2精加工
精加工將鈦合金零件加工到尺寸精度、表面粗糙度及表面殘余應(yīng)力。由于鈦合金熱膨脹系數(shù)大，精加工時(shí)應(yīng)選擇較小切削速度和進(jìn)給量，避免過度切削導(dǎo)致工件表面開裂或燒傷；精加工后及時(shí)清洗和檢查零件，避免變形。鈦合金異形零件主要缺陷有：精車易刮傷、易產(chǎn)生積屑瘤、表面硬化嚴(yán)重。
3.3工裝設(shè)計(jì)
因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鈦合金異形件對(duì)加工工藝要求高，應(yīng)盡量采用通用夾具。夾具應(yīng)有足夠剛性，保證夾緊時(shí)零件不變形；要有良好耐磨性，保證夾緊時(shí)不磨損；要有較好密封性，保證夾緊時(shí)不泄漏；要有通用性和互換性，便于其他機(jī)床加工。
4、切削量選擇
4.1進(jìn)給量
進(jìn)給量取決于刀具幾何角度和工件材料。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，切削熱使刀具和工件溫度升高，引起工件變形，影響加工精度和表面粗糙度。因此，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)減小進(jìn)給量。此外，考慮到刀具材料、幾何角度不合適或切削速度過高會(huì)導(dǎo)致刀具磨損和切削溫度升高。因此，應(yīng)選擇較小進(jìn)給量，同時(shí)控制好刀具幾何角度和切削速度等參數(shù)。
4.2切深
為保證質(zhì)量，鈦合金異形件的切削深度應(yīng)控制在0.1mm/r以下。鈦合金導(dǎo)熱性和絕熱性好，所以為減少刀具磨損和切削力，降低切削溫度，應(yīng)采用較小切削深度。同時(shí)，要控制好工件表面粗糙度。工件材料硬度高或裝夾不牢靠時(shí)，不能采用太小切削深度，加工余量控制在1~2mm內(nèi)，可采用粗精加工結(jié)合提高效率。
4.3背吃刀量
保證加工質(zhì)量前提下，背吃刀量不應(yīng)小于1.5mm/r。過小背吃刀量會(huì)加劇刀具磨損，降低刀具使用壽命，過大背吃刀量會(huì)使刀具磨損不均勻，易崩刃，零件表面產(chǎn)生凹陷。本文用硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金零件，應(yīng)適當(dāng)減小背吃刀量。
5、試驗(yàn)結(jié)果與討論
通過以上分析，筆者確定鈦合金異形件加工方案，先根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征粗加工，再進(jìn)行半精加工，最后精加工。粗加工采用較大切削量，精加工采用較小切削量。結(jié)果零件表面粗糙度小于Ra0.05，零件尺寸精度、表面粗糙度和形位精度均達(dá)技術(shù)要求。
6、結(jié)語
筆者針對(duì)鈦合金異形零件加工難點(diǎn)，分析零件結(jié)構(gòu)及材料特性，制定合理加工工藝。根據(jù)加工特點(diǎn)選擇耐熱性和耐磨性良好，適于鈦合金異形零件加工的刀具，通過優(yōu)化刀具、選擇合適切削用量，減少工件表面變形，提高表面質(zhì)量和尺寸精度，縮短制造周期。
參考文獻(xiàn)
[1]卜慶奎,齊東昱,李亞宏.鈦合金異形零件加工工藝優(yōu)化[J].工具技術(shù),2022,56(09):119-121.
[2]申偉,張利軍.提高鈦合金異形框架加工效率的方法[J].金屬加工(冷加工),2017(Z2):30-32.
[3]劉艷君.鈦合金典型梁類零件高效加工工藝應(yīng)用研究[D].西南交通大學(xué),2018.
[4]孫一豐.薄壁鈦合金球殼封頭的數(shù)控加工工藝[J].金屬加工(冷加工),2017(18):25-28.
（注：原文標(biāo)題：鈦合金異形零件加工工藝分析）
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