針對(duì)大長(zhǎng)徑比鈦合金薄壁零件的加工難點(diǎn)，以及傳統(tǒng)加工方法中的不足進(jìn)行工藝分析，采用數(shù)控縱切加工減小零件切削抗力帶來(lái)的變形，設(shè)計(jì)送料工裝解決精車(chē)削外圓時(shí)的裝夾問(wèn)題，設(shè)計(jì)校直工裝解決精車(chē)削后的變形問(wèn)題。通過(guò)設(shè)備優(yōu)化、工藝方案改進(jìn)、加工參數(shù)調(diào)整和變形校直等措施，摸索出一套合理的加工工藝流程并進(jìn)行驗(yàn)證，攻克了薄壁零件的加工難題。
01
序言
鈦合金材料因強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、耐高溫和焊接性好等優(yōu)異性能，在航空航天領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。鈦合金材料屬于典型的難加工材料，加工過(guò)程中導(dǎo)熱性較差，切削時(shí)黏度較大、彈性模量較小，零件容易產(chǎn)生較大變形、扭曲，加工精度難以保證。機(jī)械加工中，壁厚＜1mm的為薄壁零件，長(zhǎng)徑比＞10的為細(xì)長(zhǎng)軸零件，這類零件剛度差、裝夾困難，受切削力影響易發(fā)生加工變形[1]。
大長(zhǎng)徑比鈦合金薄壁零件加工的主要難點(diǎn)是散熱差、剛度差及抗彎能力弱，加工過(guò)程中受切削力、切削熱等因素影響，容易產(chǎn)生彎曲、錐度缺陷及腰鼓形等問(wèn)題。為此通過(guò)設(shè)備優(yōu)化、工藝方案改進(jìn)、加工參數(shù)調(diào)整和變形校直等措施，來(lái)解決這些加工難題。
02
零件結(jié)構(gòu)及加工要求
某零件材料為T(mén)C6-M鈦合金（雙重退火），零件尺寸如圖1所示，長(zhǎng)徑比接近40，壁厚不足0.5mm，屬大長(zhǎng)徑比薄壁結(jié)構(gòu)。內(nèi)孔φ（4.6±0.05）mm，總長(zhǎng)（186±0.2）mm，表面粗糙度值Ra=3.2μm。大端外圓φ8圖片mm，尺寸嚴(yán)格；小端外圓φ5.4圖片mm，要求直線度0.1mm。
2.1 材料分析
TC6鈦合金是一種綜合性能良好的馬氏體型α-β兩相鈦合金。其名義成分為T(mén)i-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si，具有較高的室溫強(qiáng)度，化學(xué)成分見(jiàn)表1[2]，能在400℃以下長(zhǎng)時(shí)間工作6000h以上和在450℃以下工作2000h。
表1 TC6鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
2.2 加工難點(diǎn)分析
零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸精度要求高。夾緊力和徑向切削力易使零件產(chǎn)生變形，使得裝夾困難。鈦合金材料切削工藝性差，也增大了工藝方案的設(shè)計(jì)難度。
大長(zhǎng)徑比零件加工通常采用卡盤(pán)夾緊和回轉(zhuǎn)頂尖頂緊的裝夾方式，一般加工中需要安裝跟刀架、中心架來(lái)平衡徑向切削力，減小加工時(shí)的工件變形[3]。圖1所示零件由于受外圓和長(zhǎng)度尺寸限制，無(wú)法直接采用中心架、跟刀架進(jìn)行裝夾，因此提高零件裝夾剛度、減小彎曲變形是保證零件加工尺寸精度的主要措施。
圖1 零件尺寸
03
加工工藝
3.1 工藝方案設(shè)計(jì)
1）零件在軸向預(yù)留10mm余量作為工藝附加量用于夾緊，減少夾緊力對(duì)零件夾持部位外圓尺寸精度的影響。
2）數(shù)控車(chē)削加工φ8mm外圓留余量0.2mm、φ5.4mm外圓留余量2mm，提高零件深孔鉆削工序裝夾剛度，車(chē)削后外圓作為深孔鉆削工序的定位基準(zhǔn)。內(nèi)孔采用高精度深孔鉆床PT2/750進(jìn)行深孔鉆削，保證孔徑尺寸公差。
3）數(shù)控車(chē)削精車(chē)削外圓時(shí)，以內(nèi)孔定位穿心軸，提高零件剛度，減小彎曲變形。該工序加工難度最大。
4）零件加工至最終壁厚時(shí)，為了減少切斷附加引起的變形，采用電火花加工中的線切割去除工藝附加量，鉗工加工R0.2mm圓角，并拋光端面和去掉電加工引起的電蝕層。
3.2 加工工藝流程
工藝流程：備料→數(shù)控車(chē)削→深孔鉆削→數(shù)控精車(chē)削→線切割→鉗工→超聲波清洗→熒光探傷→檢驗(yàn)→防銹封存。
采用φ15mm×200mm鈦合金棒材，數(shù)控車(chē)床車(chē)削外圓至φ10mm×198mm，加工深孔鉆削定位基準(zhǔn)，深孔鉆一次鉆削φ（4.6±0.05）mm孔，以內(nèi)孔定位數(shù)控精車(chē)削外圓，最后采用線切割去除工藝附加量，鉗工去毛刺后清洗零件，進(jìn)行檢驗(yàn)交庫(kù)。
04
加工中存在的問(wèn)題及分析
4.1 存在的問(wèn)題
深孔鉆削后數(shù)控精車(chē)削外圓時(shí)，存在外圓尺寸超差和同軸度超差導(dǎo)致的穿透問(wèn)題。
（1）精車(chē)削外圓方法一 ①5工步：兩頂粗車(chē)削外圓，工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)速n=800r/min，進(jìn)給量f=0.14mm/r，去除余量0.2mm。②10工步：采用一夾一頂方式（自制堵頭），工藝參數(shù)為粗車(chē)削轉(zhuǎn)速n=800r/min，進(jìn)給量f=0.14mm/r，切削至φ5.56mm，去除余量2mm；精車(chē)削轉(zhuǎn)速n=800r/min，進(jìn)給量f=0.1mm/r，切削至φ5.36mm。
車(chē)削后零件外圓讓刀變形，外形呈腰鼓形（見(jiàn)圖2）。測(cè)量零件中間尺寸為φ5.8mm，兩端為φ5.5mm；外圓表面粗糙度值Ra＞6.3μm。
圖2 零件變形
（2）精車(chē)削外圓方法二 改進(jìn)精車(chē)削走刀路徑，通過(guò)檢查外圓變形量和位置，按直徑方向0.3mm（φ5.8mm－φ5.5mm）偏斜量，編程時(shí)從零件一端到中間位置走斜線來(lái)補(bǔ)償讓刀現(xiàn)象，零件加工后內(nèi)孔穿透如圖3所示。
圖3 零件內(nèi)孔穿透
4.2 問(wèn)題分析
（1）原因分析 零件外圓形狀呈腰鼓形的主要原因是數(shù)控車(chē)床車(chē)削零件時(shí)，零件裝夾采用一夾一頂方式，零件懸伸較長(zhǎng)，剛度差。車(chē)削時(shí)的切削力可以分解為軸向切削力、切向切削力和徑向切削力，軸向切削力、切向切削力使工件產(chǎn)生縱向微量變形，對(duì)工件影響不大；徑向切削力與零件軸線垂直，使零件產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致零件中間切削量最小，零件加工后呈腰鼓形。
零件內(nèi)孔穿透主要是因零件內(nèi)孔與外圓同軸度超差而引起的，深孔鉆加工內(nèi)孔后，零件已經(jīng)發(fā)生彎曲變形，深孔鉆削工序?qū)ν鈭A沒(méi)有直線度要求，深孔鉆削后內(nèi)孔與外圓不同軸，兩頂車(chē)削外圓時(shí)切削余量不同，導(dǎo)致局部穿透。
（2）機(jī)理分析 零件裝夾采用一夾一頂方式，零件總長(zhǎng)186mm，數(shù)控車(chē)床車(chē)削外圓時(shí)懸伸較長(zhǎng)，零件車(chē)削過(guò)程中受徑向切削力和懸伸長(zhǎng)度影響而產(chǎn)生彎曲變形。數(shù)控車(chē)床車(chē)削外圓的力學(xué)模型如圖4所示。
圖4 車(chē)削外圓力學(xué)模型
根據(jù)材料力學(xué)可知，車(chē)削外圓時(shí)，零件末端的變形量δ的計(jì)算公式為
δ＝64FL3/（3πEd4） （1）
式中，δ是變形量（mm）；F是刀具作用于工件的徑向切削力（N）；L是懸伸長(zhǎng)度，指工件裝夾點(diǎn)到刀具作用點(diǎn)之間的距離（mm）；E是工件材料的彈性模量（N/mm2）；d是工件毛坯直徑（mm）。由式（1）可以看出，在零件材料和工件直徑一定的情況下，對(duì)零件車(chē)削變形量δ影響最大的因素是懸伸長(zhǎng)度L，徑向切削力F次之[4]。
05
加工工藝改進(jìn)
5.1 設(shè)備優(yōu)化
數(shù)控縱切車(chē)床加工特點(diǎn)：主軸內(nèi)彈簧夾頭夾持棒料作回轉(zhuǎn)及軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，刀具作徑向運(yùn)動(dòng)。由于刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于工件的軸線是垂直的，也就是在車(chē)削加工中工件是旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的，車(chē)刀不需要跟隨工件移動(dòng)，且切削刀具一直保持在主軸與工件夾緊部位，使零件加工部位始終處于剛度較好的位置，懸伸長(zhǎng)度L隨零件車(chē)刀移動(dòng)變小時(shí)，變形量δ呈指數(shù)級(jí)減小，因此縱切車(chē)床更適合加工大長(zhǎng)徑比零件。
縱切車(chē)床與常規(guī)車(chē)床有本質(zhì)區(qū)別，常規(guī)車(chē)床在加工中是依靠刀具的移動(dòng)來(lái)完成對(duì)多余毛坯料的車(chē)削，對(duì)于精密細(xì)長(zhǎng)軸類零件，常規(guī)車(chē)床顯然無(wú)法滿足加工需要。該零件長(zhǎng)徑比接近40，相比之下在數(shù)控縱切車(chē)床上加工更合適?？v切設(shè)備加工零件時(shí)，必須留有送料部分附加長(zhǎng)度（＞200mm）。而常規(guī)車(chē)床加工該零件，工藝附加長(zhǎng)度只需要15mm。
由于零件材料為T(mén)C6鈦合金，價(jià)格昂貴，零件在縱切車(chē)床加工預(yù)留大量工藝附加長(zhǎng)度，工藝成本太高，而且現(xiàn)場(chǎng)零件深孔鉆削工序已經(jīng)加工的在制品也無(wú)法處理，因此，為了解決零件備料長(zhǎng)度不變情況下在縱切車(chē)床上加工時(shí)的裝夾問(wèn)題，主要采取以下措施。
1）零件附加位置加工M5×0.5-6H內(nèi)螺紋，旋合長(zhǎng)度9mm。
2）設(shè)計(jì)送料桿（見(jiàn)圖5）替代工藝附加。送料桿材料選用45鋼，長(zhǎng)240mm帶M5×0.5-6h外螺紋，送料桿外圓直徑應(yīng)與零件縱切前外圓直徑相同，彈簧夾頭裝夾可靠。
a）尺寸
b）實(shí)物
圖5 送料桿
3）為了提高零件剛度，送料桿外圓直徑按零件外圓直徑名義值8.5mm（車(chē)床彈簧夾頭規(guī)格φ8.5mm），尺寸公差按每0.02mm分1組，共分5組。
5.2 調(diào)整切削參數(shù)
TC6鈦合金材料導(dǎo)熱性較差，切削時(shí)材料黏度較大，彈性模量較小，工件容易產(chǎn)生較大變形。鈦合金切削時(shí)，切削刃附近區(qū)域切削溫度高，鈦元素活性高，易與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加劇了刀尖磨損。通過(guò)對(duì)多個(gè)品牌刀片進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，優(yōu)化數(shù)控縱切車(chē)床加工TC6鈦合金材料的刀具和切削參數(shù)，車(chē)削采用三菱刀片，型號(hào)為CCGT09T301M-FS MP9005；切削參數(shù)為轉(zhuǎn)速n=900r/min，進(jìn)給量f=0.02mm/r。零件加工后可滿足表面粗糙度值Ra=1.6μm、外圓直線度0.3mm，不能滿足外圓直線度0.1mm，同時(shí)內(nèi)孔對(duì)外圓同軸度φ0.2mm也難以保證。
5.3 優(yōu)化工藝方案
（1）變形校直 校直工藝是消除軸、棒及管類零件徑向彎曲的加工方法[5]。零件深孔鉆削加工后已經(jīng)彎曲變形，需要增加校直工序。深孔鉆削加工后，外圓余量壁厚＞2mm，鉗工采用壓點(diǎn)式校直，零件直線度≤0.15mm。
由于縱切后外圓直線度0.3mm，不能滿足圖樣同軸度要求，因此需要對(duì)精加工過(guò)的φ5.4mm外圓進(jìn)行校直，此時(shí)零件壁厚只有0.4mm，直接壓在零件外圓表面校直容易引起零件表面變形。為此，設(shè)計(jì)如圖6所示校直夾具，采用壓點(diǎn)式校直，零件放置在雙V形結(jié)構(gòu)的夾具上進(jìn)行限位，壓力頭設(shè)計(jì)成青銅半圓環(huán)形。青銅材料較鈦合金軟，壓力頭改為圓環(huán)面，增大接觸面積，校直前首先檢查外圓直線度，并用紅筆標(biāo)注出彎曲點(diǎn)，再進(jìn)行校直，目視檢查零件外圓無(wú)壓痕，檢查零件外圓、內(nèi)孔直徑尺寸和同軸度均滿足設(shè)計(jì)圖樣要求。
圖6 校直夾具
（2）精車(chē)削外圓及切除工藝附加 對(duì)大端φ8
mm外圓進(jìn)行精加工，切除工藝附加并完成R0.2mm拋光加工及大端面保留尖邊。先使用加工中心刀柄進(jìn)行裝夾，利用彈簧夾頭弧形面對(duì)零件靠近大端外圓處進(jìn)行夾緊，增大接觸面積可減小夾緊變形，然后將刀柄夾在數(shù)控車(chē)床自定心卡盤(pán)上（見(jiàn)圖7），利用數(shù)控車(chē)床精車(chē)削大端φ8
mm外圓，并切除工藝附加以保證零件總長(zhǎng)，拋光零件左端面R0.2mm，保留尖邊。
圖7 精車(chē)削外圓裝夾方式
5.4 改進(jìn)后的工藝流程及加工效果
零件備料和數(shù)控車(chē)削粗加工工序內(nèi)容不變，深孔鉆削工序分粗、精加工，孔徑按φ（4.6±0.05）mm控制，然后校直零件，保證直線度0.15mm，增加數(shù)控車(chē)削工序——車(chē)削外圓至φ8.5mm，同時(shí)在零件工藝附加長(zhǎng)度范圍內(nèi)加工工藝內(nèi)螺紋，安裝送料桿。采用數(shù)控縱切車(chē)床精加工φ5.4mm外圓，縱切后校直零件直線度0.1mm，最后采用數(shù)控車(chē)床切除工藝附加。清洗零件進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)后交庫(kù)。
改進(jìn)后的工藝流程：備料→數(shù)控車(chē)削→深孔鉆削→校直→數(shù)控車(chē)削→縱切加工→校直→數(shù)控車(chē)削→超聲波清洗→熒光探傷→檢驗(yàn)→防銹封存。按改進(jìn)后的工藝方案加工2個(gè)批次共60件零件，合格59件。零件已進(jìn)行裝配驗(yàn)證，滿足產(chǎn)品性能需求。
06
結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)大長(zhǎng)徑比鈦合金薄壁零件的加工難點(diǎn)，通過(guò)設(shè)備優(yōu)化、工藝改進(jìn)、切削參數(shù)調(diào)整和變形校直等改進(jìn)措施，摸索出一套合理的工藝流程。加工的關(guān)鍵在于改善零件剛度和解決零件變形問(wèn)題。對(duì)于無(wú)法使用中心架裝夾的零件，可選用數(shù)控縱切設(shè)備加工，改善零件傳統(tǒng)加工過(guò)程中切削力引起的變形問(wèn)題。鈦合金零件由于材料成本高，為減小數(shù)控縱切加工工藝附加長(zhǎng)度，可設(shè)計(jì)專用送料工裝；鈦合金材料切削刀具及切削參數(shù)與相同材料剛度好的零件可通用，工藝參數(shù)需要隨設(shè)備、零件具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；校直工藝對(duì)于大長(zhǎng)徑比薄壁變形有改善作用，校直時(shí)工裝采用內(nèi)環(huán)面壓力頭增大接觸面積，解決了零件尺寸局部超差或者外觀損傷問(wèn)題。
