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編者按

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鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好及熱強(qiáng)度高等特點，因此被大量應(yīng)用于特殊行業(yè)，如航空、航天、醫(yī)療、化工及石油管道等零件加工中。鈦合金材料為難切削材料，具有切削效率低、刀具磨損快、排屑困難以及表面質(zhì)量差等加工難點，成為制約鈦合金類零件加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。通過對典型鈦合金零件加工工藝的研究，有效解決了鈦合金深盲孔內(nèi)腔類零件車削質(zhì)量難以保證的技術(shù)難題。

鈦合金（TC4）的物理、機(jī)械特性見表1，這決定了其加工時存在以下技術(shù)難題。

1）鈦合金的彈性模量低，在切削力作用下使零件已加工表面容易產(chǎn)生回彈，從而引發(fā)刀具切削時產(chǎn)生振動，后刀面磨損加劇，直接影響零件的尺寸精度和表面粗糙度。

2）鈦合金熱導(dǎo)率和比熱容都非常低，造成切削鈦合金時，切屑與刀具前刀面接觸長度短，使切削熱大量（約75%）集中在切削刃附近的小面積內(nèi)，不易散發(fā)，導(dǎo)致這一區(qū)域切削溫度過高，加快了刀具的磨損；同時，鈦又是化學(xué)親和力極強(qiáng)的元素，容易在加工表面形成加工硬化層，使刀具磨損加快。

3）鈦合金切削時容易與刀具發(fā)生粘結(jié)，切削溫度高易產(chǎn)生積屑瘤，直接影響零件尺寸及表面粗糙度，甚至可能會引起刀具折斷。

表1  鈦合金（TC4）物理、機(jī)械特性

3.1 零件介紹

零件的整體三維模型如圖1所示，零件尺寸如圖2所示。該零件為鈦合金深肓孔復(fù)雜內(nèi)腔零件，內(nèi)腔主要由螺紋、臺階孔、內(nèi)錐面、內(nèi)鉤槽和圓角組成。零件材料為TC4（α＋β）型鈦合金，內(nèi)孔內(nèi)錐面表面粗糙度值Ra＝0.8μm，內(nèi)孔φ18.5mm圓柱度為0.01mm，外圓φ38mm與內(nèi)孔φ16mm的前端錐面關(guān)于內(nèi)孔φ18.5mm的同軸度為0.02mm，端面φ38mm和M26×1.5mm螺紋退刀槽端面關(guān)于內(nèi)孔φ18.5mm的垂直度為0.02mm。

圖1  零件整體三維模型

圖2  零件尺寸

3.2 加工難點分析

圖2中，加工φ16mm和φ18.5mm內(nèi)孔錐面、φ24.6mm×24.4mm的內(nèi)槽以及外部形狀是該零件的加工難點。由于φ16mm內(nèi)孔深度為90mm，長徑比為5.6∶1，所以該零件加工時，刀桿懸伸過長，容易產(chǎn)生振動。另外，材料彈性較大、排屑困難、表面質(zhì)量和尺寸公差均難以保證，且冷卻非常困難，切削時刀具容易磨損、崩刀。同時，內(nèi)孔底部鉤槽因φ16mm內(nèi)孔與鉤槽直徑相差8.6mm，無適合的標(biāo)準(zhǔn)刀具，只能設(shè)計特殊刀具進(jìn)行加工，且加工時因切削余量過多，須采用分步加工。這些加工難點的存在使得加工過程中刀具的選擇、加工工藝路線、工藝裝夾方式、非標(biāo)刀具的設(shè)計以及冷卻方式的選擇等都成為該零件能否加工合格的關(guān)鍵。

通過對零件結(jié)構(gòu)及加工難點的分析，制定出以下加工工藝方案：

1）對毛坯零件進(jìn)行粗加工時，留1mm的加工余量。

2）精車零件最大的外圓作為后序工序的裝夾基準(zhǔn)。

3）鏜制軟三爪卡盤，保證同軸度＜φ0.02mm，對零件進(jìn)行粗鉆孔，用φ15mm、φ17.5mm和φ23mm鉆頭加工，并使用φ14.9mm平底鉆頭保證內(nèi)孔總深度為110.7mm。

4）粗車外圓，使用多功能切槽刀，留0.2mm余量，平端面，粗車內(nèi)孔，留余量0.2mm。

5）使用自制內(nèi)鉤槽刀對φ26mm×24mm鉤槽進(jìn)行粗加工，留0.2mm余量。

6）精車外圓、內(nèi)孔、平端面，M26×1.5mm螺紋，這樣可以保證φ18mm的內(nèi)孔與螺紋退刀槽端及零件端面垂直度＜0.02mm，φ18mm內(nèi)孔與錐面φ38mm外圓的同軸度＜φ0.02mm。但加工內(nèi)孔時，如果使用卡管裝夾應(yīng)注意：若裝夾全硬質(zhì)合金刀桿，則必須清理干凈輔助夾具的內(nèi)孔，防止因有多余物影響刀桿的夾持效果，另外，因為全硬質(zhì)合金刀桿脆性大，裝夾時用力一定要適度，否則容易造成刀桿折斷。

7）使用自制內(nèi)鉤槽刀、自制仿形刀和自制鏜孔刀3把刀接力的方式，加工φ26mm×24mm內(nèi)槽，并保證槽根部R2mm的要求，完成內(nèi)腔加工。

5.1 刀具及幾何參數(shù)的選擇

根據(jù)鈦合金熱導(dǎo)率差、比熱容高、易產(chǎn)生積屑瘤、彈性模量低以及回彈性大的加工難點，為避免被加工零件產(chǎn)生振紋、表面粗糙度差、尺寸公差無法保證，選擇加工刀具時應(yīng)盡量選擇切削力小、耐磨性好的刀具，最終選擇的刀桿及刀片見表2，刀具幾何參數(shù)詳見表3。

表2  刀桿及刀片

表3  刀具幾何參數(shù)

5.2 專用刀具的設(shè)計

（1）內(nèi)鉤槽刀  內(nèi)鉤槽刀刀體為M42材質(zhì)的高速鋼（見圖3），韌性、耐磨性均優(yōu)于W18Cr4V的高速鋼，且刀具刃口鋒利。由于刀具懸長為110mm，鉤槽深度為8.6mm，孔徑為φ16mm，導(dǎo)致刀柄直徑只能為10mm，刃部寬度只能為3mm，如果刃部過寬，就會造成刀具切削力過大，出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。同時鉤槽時必須采用臺階式方法加工，即每次進(jìn)刀比上一次進(jìn)刀多進(jìn)0.5mm，注意保留φ24.6mm×24.4mm槽底部R2mm的余量，精加工出12mm長的內(nèi)槽形狀。再利用數(shù)控車床進(jìn)刀準(zhǔn)確的特點，利用自制仿形刀加工出φ24.6mm×24.4mm槽后半部分和R2mm圓角。

圖3  內(nèi)鉤槽刀

（2）自制內(nèi)仿形刀  標(biāo)準(zhǔn)外購內(nèi)仿形刀直徑方向的最大切削深度為6.5mm，工件深度為8.6mm，無法滿足加工需要。同時，由于刀具懸伸量為110mm，因加工需要，刀柄直徑只能為10mm，長徑比為11∶1，因此加工時必須采用小切深、大進(jìn)給方式進(jìn)行。綜上，需自制內(nèi)仿形刀桿（見圖4），采用進(jìn)口外購刀片加工鈦合金零件，既能保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量和尺寸精度，也可以提高刀片壽命和穩(wěn)定性。使用內(nèi)仿形刀加工時采取分層切削，后一次比前一次進(jìn)刀少進(jìn)給0.1mm，這樣做能有效防止因切屑和積屑瘤的產(chǎn)生而出現(xiàn)刀尖崩碎的情況。

圖4  自制內(nèi)仿形刀桿

（3）外切槽刀  使用外切槽刀（見圖5）加工外形，看似簡單，但要想保證零件尺寸精度必須要注意，橫向走刀切削時，刀具切削刃與工件軸線之間會有一個副偏角，這個副偏角的大小主要與進(jìn)給量、切削深度、刀桿頭部懸伸長度、刀片的寬度、零件轉(zhuǎn)速和工件材質(zhì)這6種因素有密切關(guān)系。因此，要在精加工零件時必須考慮直徑補(bǔ)償因素，當(dāng)外切槽刀沿徑向切槽至工件最終直徑后，再沿軸向橫向走刀，刀片會出現(xiàn)一個副偏角，徑向切槽處工件直徑D₁與橫向車削處工件直徑D₂兩者會出現(xiàn)一個調(diào)試差Δ（見圖6），其中Δ/2＝（D₁－D₂）/2，必須對外切槽刀進(jìn)行補(bǔ)償。

圖5  外切槽刀

圖6  調(diào)試差

根據(jù)計算得出補(bǔ)償值，按以下加工可避免工件表面出現(xiàn)臺階情況：

1）切槽至最終直徑。

2）回退刀具，其距離為Δ/2。

3）進(jìn)行首件橫向精車前，切記一定要在工件上進(jìn)行試切削，以確定最終加工尺寸。

5.3 工件的裝夾

工件加工時使用刀具較多，零件需要多次重復(fù)裝夾，且鈦合金材料加工時切削力大，為保證零件的同軸度、垂直度和圓柱度，本零件加工使用鋼制未淬火軟三爪卡盤，它有兩個優(yōu)點：一是可以增加夾持力；二是可以精確定位，重復(fù)使用。對于加工裝夾所使用的軟三爪卡盤有以下要求。

1）低碳鋼材料制造軟三爪卡盤，具有強(qiáng)度高，可裝夾高硬度鋼件、鈦合金以及高溫合金等難加工材料的零件，可用于斷續(xù)切削等優(yōu)點。

2）在軟三爪卡盤內(nèi)部夾一個圓柱形墊塊，可有效消除軟三爪卡盤裝夾工件時因受力大小不一造成的傳動間隙，提高其裝夾精度。

3）內(nèi)卡軟三爪卡盤的外徑要略大于工件內(nèi)徑，一般為超出工件內(nèi)徑0.02～0.05mm，這樣可以保證卡爪與工件緊密結(jié)合，保證夾持的穩(wěn)定性。

5.4 切削參數(shù)

根據(jù)零件材料、尺寸精度、表面粗糙度的要求，表面粗糙度計算公式見式（1），以式（1）的計算值為基礎(chǔ)，結(jié)合刀具手冊上推薦的切削參數(shù)值，確定了刀具的切削參數(shù)見表4。

Ra=（f²×50）/r_{ε                         （1）}

式中，Ra為表面粗糙度值（μm）；f為進(jìn)給量（mm/r）；rε為刀尖圓弧半徑（mm）。

表4  刀具切削參數(shù)

5.5 測量內(nèi)孔

內(nèi)孔尺寸及公差為φ18.5+0.02/0 mm，表面粗糙度值Ra＝0.8μm，如采用內(nèi)徑百分表和內(nèi)徑三爪千分尺測量，人為測量誤差較大，并有可能劃傷內(nèi)孔表面，因此，應(yīng)采用測量精度為0.001mm，以氮?dú)鉃闅庠吹臍鈩訙y量儀進(jìn)行無接觸測量，既能保證測量精度，也防止劃傷內(nèi)孔表面。

5.6 冷卻方式

采用水溶劑極壓切削液，對刀桿進(jìn)行內(nèi)冷卻和對刀座進(jìn)行外冷卻相結(jié)合的方式。切削液要有較高的壓力和足夠的流量，外冷時應(yīng)使切削液對準(zhǔn)刀尖部位，使加工部位得到快速充分冷卻，以減小切削熱對工件造成的變形影響，內(nèi)冷時要精確地對準(zhǔn)切削刃與工件的接觸區(qū)間。因此，選擇刀具時盡量選擇帶內(nèi)冷卻孔的刀具，冷卻液能直接到達(dá)刀具的刀尖部分，使刀具得到充分的冷卻。 

5.7 排屑問題

由于該零件內(nèi)孔長徑比大，鈦合金材料塑性較好，所以切屑容易纏繞在刀桿上，如不及時清理，容易造成內(nèi)孔表面劃傷，甚至損壞刀尖。因此，鏜孔時，在半精車、精車的每一個循環(huán)完成后應(yīng)設(shè)置暫停，及時清理切屑。

數(shù)控程序設(shè)計流程如圖7所示，由工藝路線及程序設(shè)計流程編制數(shù)控程序。

圖7  數(shù)控程序設(shè)計流程

通過工藝創(chuàng)新，把刀具材料、涂層、幾何角度、工件的裝夾方式、冷卻液的使用以及切削用量等要素結(jié)合起來進(jìn)行合理選用，總結(jié)出一套加工鈦合金的切削參數(shù)，采取自制3把刀具接力加工的方法，使加工后的零件尺寸精度完全符合設(shè)計要求，產(chǎn)品一次交驗合格率由原來的70%提高到99%。此工藝方法有效解決了鈦合金深盲孔內(nèi)腔加工中易產(chǎn)生積屑瘤和振紋、表面粗糙度差、尺寸公差不易保證、冷卻困難、刀具磨損快以及易折斷等一系列技術(shù)難題。