TB6鈦合金精密加工工藝

■中國船舶工業集團公司第六三五四研究所（江西九江 332000）關福州 劉 智

TB6鈦合金不僅是制造飛機、導彈和火箭等航天器的重要結構材料，而且在慣性導航領域中也逐步開始使用。但由于該材料價格昂貴、難加工以及加工費用高，制約了它的應用。目前我們所承接的導航部件，軍方為了提升其強度和壽命，決定淘汰傳統的結構鋼30CrNi4MoA，使用TB6鈦合金材料，這就意味著原來的加工工藝要推倒重來，重新研究TB6鈦合金的加工工藝方法。我們對TB6鈦合金材料的性能、加工工藝方法及刀具選用等進行了探索和研究，通過各種試驗，積累了許多TB6鈦合金加工的經驗，特別是切削加工用量及刀具的選擇，在加工研制過程中得到了驗證。本文重點對TB6鈦合金精密加工和刀具選用方面的工藝創新作一次全面的闡述，也為今后進一步開展其他鈦合金切削加工的研究提供參考與借鑒。

1.零件結構特點

TB6鈦合金軸向鉸軸頸零件如附圖所示，其外型復雜，技術要求高，加工難度大。

軸向鉸軸頸零件三維圖

2.TB6鈦合金材料特性分析

鈦合金是一種強度高而密度小、機械性能好且韌性和抗蝕性能也很好的不銹鋼材料。

TB6不銹鋼材料加工工藝性差，切削加工困難，特別是在熱加工中，非常容易吸收氫、氧、氮和碳等雜質。其加工工藝性主要表現在：

（1）摩擦系數大。該材料導熱系數低，刀尖切削溫度高，切削時產生的切削熱都集中在刀尖上，使刀尖溫度很高，易使刀尖很快熔化或粘結磨損而變鈍。

（2）彈性模量小。切削時易產生彈性變形和振動，不僅影響零件的尺寸精度和表面質量，而且還影響刀具的使用壽命。

（3）鈦合金化學親和力較強，極易與其他金屬親和結合，在加工中切屑與刀具的粘結現象嚴重，使刀具的粘結和擴散磨損加大。

3.精加工工藝試驗

（1）工藝方法。考慮到該鈦合金零件的加工余量比較大，有的部位很薄，只有2～3mm，主要配合表面的尺寸精度、形位公差要求高，在零件的加工工藝方法及工藝流程安排時，按粗加工→半精加工→精加工的順序分階段安排加工，同時在每個工序階段安排熱處理工藝，消除加工應力，穩定加工尺寸。這種工藝方法特點主要是通過分階段的反復加工，減少表面殘余應力，防止變形，最后達到設計圖樣的要求。其主要的加工方法有銑削、車削、磨削、鉆削、鉸削以及攻螺紋等。

（2）銑削加工及刀具試驗方案。鈦合金軸向鉸軸頸零件加工中，有大量的銑削余量，為了做好銑削加工，我們做了一些試驗，特別是在刀具和切削液的選擇方面：①刀具材質選擇了高硬度、高抗彎強度、韌性和耐磨性好且散熱性好的高速W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5（M42）和硬質合金YG8、K30、Y330。②銑削時采用水溶性油質切削液來降低刀具和工件的溫度，以延長刀具的使用壽命。

為了提高銑削加工效率，在加工中心機床上進行了高效銑削試驗，結果效率提升了2～3倍，零件表面質量也得到較大的提高。表1、表2所示分別為通過試驗總結的切削用量和刀具參數。

（3）孔的精車加工及刀具試驗方案。鈦合金軸向鉸軸頸零件加工中，由于熱處理后的表面氧化皮給工藝加工增加了較大困難，為此在加工前用酸洗方法去掉表面薄層氧化皮，然后通過加大走刀量，降低切削速度來車削剩余的氧化皮。在刀具材質的選擇、切削用量和切削液的選擇方面：①刀具材質選用YG類硬質合金材料。②刀具的幾何參數選擇前角γ0=4°～8°，后角α0=12°～18°，主偏角φ=45°～75°，刃傾角λ=0°，刀尖圓弧半徑=0.5～1.5mm。③切削用量按主軸轉速n≥230r/min，進給量f≥0.10～0.15mm/r。在同樣刀具和切削參數的情況下，選擇不同切削液進行切削試驗，檢查表面粗糙度情況；選定切削液后，使用乳化液冷卻，提高了刀具壽度。固定切削參數，選擇不同刀具材料進行切削試驗，檢查表面粗糙度和尺寸控制情況，確定刀具牌號為YG6X、YG10HT；切削液和刀具固定后，選擇不同切削參數，對尺寸控制能力進行研究和對目標表面粗糙度實現能力進行驗證。

（4）內螺紋加工試驗方案。由于內螺紋不便在放大鏡下觀察，也不便進行尺寸精確測量，選擇外螺紋進行替代試車觀察表面粗糙度，選好參數后進行內螺紋試車驗證，并用粗糙度儀檢測驗證；選擇內螺紋車削加工工藝參數試驗，驗證上述試驗確定的切削液工藝要素和刀具材料要素的適應性，螺紋車削的切削接觸刃長，功率需求大，切削參數要進行單獨的試驗驗證。

（5）孔的磨削加工試驗方案。磨削加工階段，由于TB6鈦合金的特質，導致了鈦合金磨削非常困難，磨削時砂輪磨損嚴重，輕易會變鈍，同時易在表面產生拉應力及燒傷現象。為此在磨削過程中，通過使用切削液和潤滑油，使零件充分冷卻，保證了精磨質量。磨削砂輪的材料選用綠碳化硅（TL）、黑碳化硅（TH）兩種磨料，選擇軟砂輪R3、ZR1和ZR2，粒度為46、60。磨削用量的選擇如表3所示。

（6）鉸削加工試驗方案。鈦合金的鉆削加工也比較困難，常在加工過程中出現燒刀和斷鉆現象，其主要原因是鉆頭刃磨不良、排屑不及時、冷卻不佳以及工藝系統剛性差等。鉸孔是最后一道精加工工序，采用鉆孔→擴孔（粗鉸）→精鉸的加工工藝方法。在刀具和切削液的選擇方面：①刀具材料選用M42高速鋼或硬質合金K30；刀具的幾何參數選擇前角γ0=3°～7°，后角α0=12°～18°，主偏角φ=5°～18°。校準部分刃帶寬度b=0.05～0.15mm，過寬會輕易同鈦合金加工表面粘結，過窄會輕易在鉸削時產生振動。鉸刀齒數為z=4（鉸刀直徑為12mm）。②鉸削時應不斷地注入冷卻潤滑液以獲得較好的表面質量，同時應勤排屑，及時清除鉸刀刃上的切屑末，鉸削時要勻速地進退刀。

表1 銑削用量

表2 銑削刀具參數

表3 磨削用量

通過上述幾個步驟的試驗分析，得出TB6鈦合金的各種加工工藝特點，以此為基礎，形成TB6鈦合金切削工藝方法，并將關鍵技術點總結出來，擬定了TB6軸向鉸軸頸加工的工藝方案。

4.結語

按照我們確定的加工工藝方案進行產品批量加工，達到了軸向鉸軸頸的各項精度技術指標，經檢測后一次性合格。驗證了我們對加工技術難點分析的正確性，說明這種TB6鈦合金切削工藝方法是可行的，也積累了經驗，開拓了思路。隨著科技的高速發展，材料的不斷更新，我們需要對新型的慣性導航材料的切削機理、刀具磨損、切削液的選擇等狀況進行進一步的研究，也需要對切削過程不斷進行優化。可以預計，超硬刀具和硬質合金刀具的發展也將在航空、慣性導航等的加工領域中占有很大的一席之地，必將為制造業的發展起到積極的推動作用。

專家點評

該文以TB6鈦合金導航部件的精密加工為例，按照粗加工→半精加工→精加工的順序分階段安排加工，同時在每個工序階段安排熱處理工藝，消除加工應力，穩定加工尺寸。這種通過分階段的反復加工來防止工件變形的工藝方法，在復雜零件的銑削中非常實用。作者針對鈦合金材料的切削加工試驗也很有說服力，為類似零件的加工積累了經驗。