鈦合金薄壁零件加工工藝研究

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

鈦合金材料具有密度小，強度高、耐高溫、抗氧化性能好等特點，在航空航天領域中應用廣泛。但是，由于鈦合金的機械加工性能較差，加工效率較低，因此，鈦合金材料除了航空航天領域外應用不是很普遍。鈦合金零件在加工時，被加工材料與刀具容易起相互反應，形成溶敷、擴散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現象。

圖1所示筒體底部壁厚只有0.25mm，公差只有0.025mm，保證零件加工合格的關鍵是要保證薄壁處不能有輕微的變形現象。由于公司在鈦合金材料加工方面經驗欠缺，加工薄壁鈦合金材料的加工難度很大，加工過程中零件容易產生變形，變形后厚度公差不能保證。目前，國內相關廠家加工此類薄壁高精度零件也很難保證設計要求，一直以來都沒有好的解決辦法，因此解決薄壁鈦合金零件的加工意義非常重大。本文某航空鈦合金薄壁典型零件為例，主要從刀具材料、刀具幾何參數、切削液、切削參數等方面進行工藝摸索，找到最優的加工方法，使該類薄壁零件的加工滿足設計要求。

2 產品介紹

2.1 技術要求

圖1所示為某航空用薄壁筒體。材料為鈦合金(Titanium CP2)，底部薄壁處壁厚僅有0.25mm，公差為0.025mm，同時要求該面必須平整，平面度為0.02 mm，外圓直徑有近ф20mm，口部5mm左右范圍內孔公差為0.025mm。該零件與相應附件貼和感應使用，配合精度要求較高。

圖1 筒體

2.2 工藝難點

筒體零件屬于薄壁零件，內徑、底部壁厚要求高，材料為難加工的鈦合金，采用常規的車削加工方法進行加工，會出現內孔公差無法保證，底部變形現象。因此，加工時必須結合鈦合金材料的特點，從刀具材料、刀具幾何參數、切削工藝參數等方面進行工藝摸索，加工時防止底部變形是保證該零件合格的關鍵所在。

3 鈦合金材料加工難點分析

a) 熱導率低，在切削加工時熱量存積在刀尖附近，造成局部溫度上升快，因此造成刀具溫度很高，刀尖急劇磨損，刀具使用壽命低。

b) 由于鈦合金材料有很強的化學活性，在刀尖呈高溫時，刀具和材料之間易與氧、氫、氮發生熱化學反應，增加了材料強度，降低了塑性，造成刀具磨損程度顯著加快。

c) 因斷續變形產生切屑，刃尖上的切削阻力變大使刃尖磨鈍，加快刀具磨損。

d) 楊氏模量(縱彈性模量)小，是鋼材的約1/2，在切削加工中，容易引起被加工件的變形。特別是在加工薄壁件時加工回彈更為嚴重，從而引起后刀面與加工表面產生強烈摩擦，產生刀具的磨損和刀刃崩裂。

e) 切削液，切削鈦合金材料時，由于切削溫度顯著上升，因此為了延長刀具使用壽命必須降低切削溫度。所以應使用合適的切削液，以便有效降低切削抗力。

4 工藝優化

結合鈦合金材料的加工難點，從刀具材料、刀具的幾何參數、切削參數的具體選擇及冷卻液的影響等幾個方面進行工藝摸索及優化。

4.1 刀具材料的選擇

加工鈦合金時，不宜使用YT類硬質合金刀片。因為YT類硬質合金刀片中含有鈦，它會與被加工的鈦合金發生親和作用，粘掉刀尖。其次在車削鈦合金時，車刀與切屑的接觸遠比加工鋼件時小得多，作用在車刀接觸面積上的單位切削力較大，由于YT類硬質合金刀片較脆，因此容易崩刀刃。在低速切削或切削復雜型面時，可采用高釩高速鋼(W12Cr4V4Mo)和高鈷高速鋼(W2Mo9Cr4VCo8)刀具，它們是加工鈦合金最好的刀具材料，但因鈷資源少且價格昂貴，成本高，因此應盡可能少用，以保護稀有資源并降低成本。

經過對幾種刀具材料試用摸索對比，最終刀具材料選用為含鉭的硬質合金GC1115,PVD涂層刀片，因為加入了少量的稀有元素，提高了刀片耐磨性。

4.2 刀具幾何角度的選擇

切削鈦合金時，車刀后角α0是所有刀具參數中最敏感的，因為切削層下的金屬彈性恢復大和加工硬度大，一般采用大后角可使刃口易于切入金屬層，減小后刀面的磨損，但后角過小(小于15°)會出現金屬的粘附現象；而后角過大，刀具將被削弱，刀刃容易崩碎。因此，大多數切削鈦合金的車刀采用15°后角。從刀具耐用度來看，α0小于或大于15°，都會降低車刀的耐用度。此外，α0為15°的車刀刀刃比較鋒利，并可降低切削溫度。 該零件選取刀尖圓角為R0.1，前角γ為5°～8°，后角α為15°～18°，其余參數按刀具廠家推薦值進行加工驗證，效果較好。

4.3 切削參數的選擇

a) 鈦合金機械加工時應選擇較低的切削速度Vc。切削速度Vc一般情況下取30～50m/min。

b)適當的進給量f。粗加工時取較大進給量，精加工和半精加工取適中的進給量。

c) 合理的切削深度ap。ap=1/3d為宜，鈦合金親合力好，排屑困難，切削深度太大，會造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現象。

d) 精加工量ac。鈦合金表面硬化層約0.1～0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化層上，刀具容易磨損，應該避免硬化層加工，但切削余量不宜過大。

結合上述分析，對各個參數進行優化加工驗證，最終選取如下的切削參數，見下表1。

表1 加工過程主要切削參數選用表

4.4 冷卻液的影響

鈦合金加工時最好不使用含氯的冷卻液，避免產生有毒物質和引起氫脆，也能防止鈦合金高溫應力腐蝕開裂。加工時，冷卻液要保證充足，冷卻液循環速度要快，切削液流量和壓力要大，可選用合成水溶性乳化液，也可自配冷卻液。我公司使用過的冷卻液見下表2。

表2 切削冷卻液使用情況

(注：1.上述冷卻液試驗使用和型號有關系，此處具體型號省約；2.上述品牌僅代表我公司使用情況，對品牌不做標準評價)

在工藝試驗中，對我公司的兩大類(5#機械油和水溶性切削液：品牌1和品牌2)冷卻液用同樣刀具及切削參數進行切削對比，結果對加工的零件表面，刀具的磨損等沒有區別。我公司現使用的兩大類冷卻液對上述工藝路線及參數無明顯影響。

綜上，該鈦合金筒體薄壁易變形零件從上述幾個方面進行工藝優化后，底部加工變形得到控制及解決，平整度及各公差都控制在了有效的范圍內，滿足了設計圖紙的要求。同時，加工該類零件還涉及機床設備的精度，工夾具的使用，此處不再詳述。

5 結論

本文結合具體的零件結構，主要從刀具材料的選擇、刀具幾何角度的選取、切削工藝參數的優化、冷卻液的影響等幾個方面進行工藝摸索，從而找出最佳的工藝方案，防止變形，使該零件的加工滿足了預定的攻關目標要求。不過，上述工藝參數不是一成不變的，對不同的結構特征，精度要求高低的零件，需要具體分析，找到幾個關鍵因素的有機結合點，制定最優化的工藝組合方案。

[1] 《工藝材料信息》,中國航天科工集團306所.

[2] 劉華明. 《金屬切削加工知識及應用》,科學普及出版社.