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薄壁钛合金套数控加工工艺

2016-08-26    作者: 北华航天工业学院任国柱
  摘要:阐述钛合金零件的加工特点,分析薄壁钛合金零件的数控车削加工工艺,介绍薄壁钛合金割缝的数控铣削加工方法以及刀具的选择。通过对薄壁钛合金零件的工艺分析与刀具选择,不仅保证了零件的尺寸与形位公差,而且极大地提高了生产率,在生产实践中具有一定的工程实践指导意义。

  1.钛合金套加工工艺分析
  如图1所示,一种薄壁钛合金零件壁厚仅为1.8mm,内孔的尺寸公差为0.1mm,内外圆同轴度要求为φ0.05mm,而且要求在薄壁套圆周上加工出36个宽度为0.6mm、长度为50mm的槽,零件材料为TC4,要求表面粗糙度值Ra=1.6μm,不仅有较高的尺寸加工精度与形位公差要求,而且要求表面粗糙度值低,加工难度较大。
 
图1   薄壁钛合金零件
  钛合金材料在航空航天等领域有广泛的应用,其特点如下:①导热系数低,切削温度高,相同条件下,TC4的切削温度比45钢高出1倍多。②加工过程中刀具与切屑的接触长度短,这样单位接触面积上的切削力就会加大,易使刀具崩刃。③由于钛合金的切削变形系数接近于 1,所以切屑在前刀面的滑动摩擦路程就会增加,刀具磨损速度加快。④化学活性大,在加工表面容易产生表面变质污染层,使组织不均匀,严重损伤刀具,出现缺口、崩刃及剥落等现象。⑤由于钛合金亲和性大、切削温度高,切削时粘刀现象严重,在切削过程中会引起粘结磨损。
  由于薄壁钛合金套的表面粗糙度值为Ra=1.6μm,要求较高。同时,由于是型材管料,其外圆不需要加工,只需要抛光处理,所以要完成薄壁钛合金套的加工,需要5个加工步骤:①粗车内孔。②铣圆周36个宽度为0.6mm、长度为50mm的分布槽。③去除内孔翻边毛刺。④精车内孔。⑤抛光外圆。
  2.内孔的粗加工
  由于薄壁钛合金套的壁厚仅为1.8mm,所以粗车内孔的装夹方案选择软包爪,如图2所示为焊接的铜软包爪,在其尾部车有一个2mm的限位,限制薄壁钛合金套长度方向的位置移动。
            
图2  车床软爪
    由于YT类硬质合金车刀与钛合金材料结合力强,容易发生粘结磨损,所以粗车内孔的刀具选择YG8硬质合金车刀,刀具的主偏角95°,副偏角35°左右,前角6°,后角9°,切削参数为:v=70m/min,f=0.2mm/r,ap=1mm。图3所示为加工实况,内孔粗加工完成后,要给精加工留量0.15mm。

图3  粗加工
  3.圆周36个槽的加工
  薄壁钛合金套圆周上36个槽的加工,选择在四轴立式加工中心上,利用分度头通过一夹一顶的装夹方案,如图4所示。装夹时需要做一个心轴2,心轴的一端外圆被三爪自定心卡盘3卡住,另一端外圆有一个止口并与薄壁钛合金套筒4的一端内孔间隙配合,配合间隙为0.02mm,薄壁钛合金套的另一端内孔与堵头1的外圆间隙配合,配合间隙为0.02mm,堵头的另一端端面中心打有中心孔,通过活顶尖5将其顶住。
 
图4  铣槽装夹示意图
1.堵头  2.心轴  3.三爪自定心卡盘  4.薄壁钛合金套筒  5.活顶尖
  铣槽加工时,由于薄壁变形后应力集中,容易造成槽宽变窄,所以应使用厚度略大于槽宽的锯片铣刀。这里刀具选用厚度为0.7mm、内孔直径为22mm、外圆直径为60mm的高速钢锯片铣刀,齿数为72齿,其中直径为22mm的内孔与铣槽刀具的伸出轴间隙配合,配合间隙为0.02mm,图5所示为铣槽刀具。
                
图5  铣槽刀具
  铣槽加工参数选择为:n=100r/min,f=25~30mm/min,ap=2mm。背吃刀量=锯片厚度,这里吃刀深度≥薄壁套的壁厚1.8mm,因为经过试验,如果不是一次切开而是分层切削,由于应力集中,第二次进刀就会在分层处造成刀具的崩刃甚至断裂,同时加工效率大大降低,所以这里选择ap=2mm。需要注意的是,锯片铣刀沿钛合金套筒套径向进刀时,背吃刀量ap≥薄壁套壁厚1.8mm,不要分层铣削,否则切开的薄壁套在开口处由于应力集中,会使开口处产生变形,导致缩口,第 2次进刀锯片铣刀不能顺利进刀,导致锯片铣刀出现崩刃或断裂,致使加工不能顺利进行。图6所示为加工实况。

图6  铣槽加工
  4.内孔毛刺的去除
  薄壁钛合金套内孔铣削加工完成后,由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强,容易粘刀,所以铣出的毛刺不会轻易断掉,而是卷曲在内孔的两端,如图7所示,所以需要将其去掉。采用的方法为利用尖嘴钳将其逐一掰掉。由于掰掉后的内孔还会留有去不掉的毛刺,所以粗加工时留下的0.15mm精加工余量正好在精加工时将其去除。

图7  内孔卷曲毛刺
  5.内孔的精加工
    薄壁钛合金套的内孔精加工还是采用粗加工时的装夹方案,即利用铜软包爪装夹外圆,利用内孔精车刀精镗内孔。
  镗内孔精车刀选择陶瓷刀具,刀具主偏角95°,副偏角35°,主前角8°,后角 12°。切削参数如下:n=400r/min,v= 55m/min,f=0.15mm/r,ap=0.15mm。
  6.外圆的抛光加工
  由于薄壁钛合金套内外圆毛坯比较规矩,外圆已经达到了规定的尺寸要求,所以不需要单独加工,但是表面粗糙度不是太理想,需要进行外圆的抛光加工处理。
    外圆抛光也是选择在数控车床上,通过三爪自定心卡盘与活顶尖一夹一顶的装夹方案。如图8所示,心轴的一端装夹在三爪自定心卡盘上,心轴的一端外圆与薄壁钛合金套的一端内孔间隙配合,配合间隙为0.02mm;薄壁钛合金套的另一端内孔与堵头的外圆相配合,配合间隙也为0.02mm,活顶尖与堵头的中心孔相配合。

图8  外圆抛光
  抛光的时候,先在薄壁钛合金套的外壁涂一层专用抛光皂(见图9),然后起动主轴,主轴转速n=500r/min,利用抛光轮对其外圆进行抛光处理。

            图9  抛光皂
  最终加工完成后的零件如图10所示。

图10  成品零件
  7.结语
  钛合金材料是典型的难加工材料之一,我们在工作中要理论结合实际,不断积累加工经验,针对具体问题制定出切实可行的钛合金加工工艺方案。本文对加工该类零件的设备、刀具、夹具、切削参数及其他一些工艺方法进行归纳、总结和论证、应用,以期更好地指导实践中钛合金的加工,文中的加工方法可能不是最佳方案,欢迎同行批评指正。
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