鈦合金細長件加工工藝

□王 麗

鈦合金密度低、耐熱性高、抗腐蝕性能好、韌性、塑性較好，在加工中刀具易纏屑，在鉆削加工中尤為突出。目前在航空航天、半導體、醫(yī)學等許多領域均已得到廣泛應用。但導熱性能差、加工中易變形，切削過程中的安全性差。由于鈦屬于易燃金屬，并且導熱性差在加工中產(chǎn)生的熱量大量集中在切削刃處，如果冷卻不好，加工中會產(chǎn)生火花可能引燃鈦屑。這些特性導致了鈦合金成為較難加工的金屬材料。

一、典型事例分析

工件特點：外形尺寸為910mm×26mm×13mm的典型細長件產(chǎn)品。變形量要求控制在0.1mm以內(nèi)。腰形臺階孔有位置度要求即孔與孔間距公差±0.05mm，孔中心到邊的距離公差0～+0.03。整體粗糙度要求3.2。其他要求：表面不得有磕碰、刮傷、劃痕等缺陷;清除毛刺，尖角倒鈍，各棱邊、銳角全部倒角C0.1-C0.5。

二、加工工藝及出現(xiàn)的問題

因?qū)︹伜辖鸺氶L件產(chǎn)品的加工缺乏經(jīng)驗，工件總體算是長方體形狀，又是單件打樣產(chǎn)品，所以從加工成本考慮，采用通用夾具裝夾。使用四臺相同規(guī)格的精密臺鉗，均布固定在工作臺上。四個定鉗口用表校直，并且在一條直線上。直線度控制在0.02mm左右。缺點是在調(diào)整工裝時用時較長。由于在材料采購時，對材料自身變形以及下料切割情況預判不夠準確，為保證產(chǎn)品六個面有足夠的余量，毛坯實際尺寸為920mm×38mm×20mm。材料的去除量非常大，加工中的應力釋放也會更大，就會導致產(chǎn)品更易變形。無形中又增加了產(chǎn)品的加工難度。

(一)用臺鉗夾住毛坯，用大刀粗加工光面。

1.出現(xiàn)的問題。加工中有大量火花出現(xiàn)。松開臺鉗后工件兩個方向都產(chǎn)生較大變形，約0.4mm。

2.分析原因。大刀開粗產(chǎn)生大量熱量，鈦合金導熱性差，機床內(nèi)加的是切削油，冷卻效果不佳最終導致火花的產(chǎn)生。存在燃燒的風險。

3.工藝調(diào)整。一是將切削油更換為乳化液。二是大盤刀改為切削刃較鋒利的合金超硬銑刀，線速度60m/min左右。小吃刀量，以減小切削力，從而減小工件受到加工外力引起的變形。

(二)調(diào)整后再次加工，加工中產(chǎn)生的火花沒有了。

1.出現(xiàn)的問題。工件加工變形量有所降低，但是仍然超差。二次裝夾加工另一面時，無法保證兩面的平行度，造成厚度尺寸不均勻，上下兩面不平行。

2.分析原因。用四個臺鉗夾工件，每鉗口寬度125mm，工件所受的總裝夾長度為125×4=500mm。毛坯總長920mm，即仍有近一半的材料處于懸空狀態(tài)，加上材料細長造成自身強度不足。懸空處材料受到的切削力多數(shù)被自身吸收。這是引起變形量居高不下的根源。

3.工藝調(diào)整。要想保證整個產(chǎn)品的尺寸均勻，一是盡量減少裝夾次數(shù)；二是充分利用產(chǎn)品自身特點，采用反復對稱加工。使加工中產(chǎn)生的應力釋放，通過對稱加工的方式相互抵消，最大限度的減小工件變形；三是對工件的少許變形進行校正后再加工腰形槽，保證了位置度要求。

三、加工工藝的改進和設計專用工裝

工裝采用長990m×118mm×25mm的鋼板為材料，中間一排均布5個φ18×φ12.1的沉頭，穿M12內(nèi)六角螺栓，使工裝與工作臺固定并且完全貼合，從而保證了工裝與工件的直接接觸面有較高的平面度。

(一)在機床上安裝工裝，校平、打直。將工件毛坯放置于兩排M6螺紋孔中間，用M6內(nèi)六角螺栓與小壓板組合將毛坯與工裝固定。由普通壓板改為全新設計的小壓板，是因為用側(cè)刃加工采用小壓板可以有效縮短刀具的伸出量,提高刀具強度。同時由于工件是細長件，小壓板更利于裝夾。壓板數(shù)量設置較多，除了使工件與工裝固定，還起到了對工件很大的支撐作用。使加工時產(chǎn)生的切削力最大化的由壓板吸收。減小工件受到的切削力。

(二)加工采用反復對稱銑削的方式進行。刀具選用較鋒利的合金超硬銑刀。深度采用分層銑削，一邊整體銑掉1mm后，將壓板更換至另一邊。壓板更換方式采用先壓一個另一側(cè)壓板，然后松掉對應一側(cè)的一個壓板，依次交替進行直至所有壓板更換到另一側(cè)。然后繼續(xù)加工另一側(cè)，同樣的加工量，相同的走刀參數(shù)。從而實現(xiàn)了兩側(cè)對稱加工。這種裝夾方式保證了兩次加工仍是在一次裝夾下進行的。壓板動了，而工件未動，也未發(fā)生變形。保證了工件尺寸的一致性、均勻性。依照這種方式兩個方向四個面反復加工。

(三)在對稱加工中，靈活運用不對稱加工。每次松開壓板，調(diào)整加工方向加工另兩面時，將工件置于自然狀態(tài)，工件的變形量仍有超差，并且其變形都是呈拱形，即一面凸、一面凹。通過問題分析及經(jīng)驗總結，把工件再次固定在工裝上時，先加工工件的凹面，并且凹面多加工0.3mm左右再進行對稱加工。工藝調(diào)整后，變形量基本降低至公差范圍內(nèi)。粗加工結束后，兩個方向各留2～3mm余量。在自然狀態(tài)下放置2天，進行自然時效處理。讓工件充分釋放內(nèi)應力。

(四)外形精加工。精加工余量留0.1～0.2mm。先把26mm尺寸加工到位。再精加工13mm方向，因工件在此方向有一個3×3mm的凸臺。利用產(chǎn)品特性，把所有余量留在凸臺的另一側(cè)。用對稱加工，一邊加工凸臺，一邊加工余量。仍然進行反復加工。工件外形及凸臺精加工到位后，加工沒有凸臺側(cè)的倒角。另一側(cè)倒角因為有壓板干涉沒法加工，由下道工步加工。松開壓板后工件整體變形量控制在0.1mm以內(nèi)，效果很好。

(五)外形到位后把工件放入工裝的長槽內(nèi)。槽深9mm，目的是盡量增大頂塊與工件的接觸面，從而達到預期的側(cè)頂效果。把頂塊放入26×7的開口槽內(nèi)，通過工裝側(cè)面11個M6的螺栓，與頂塊組合將工件與槽壁完全貼合，使工件26mm方向的微量變形得以校正。用頂塊與工件直接接觸也避免了工件劃傷。13mm的厚度方向變形，通過壓板使工件底部與工裝槽底貼合得以校正。工件完全校正后，開始加工。保證了腰形臺階孔、螺紋孔的位置度要求。加工腰形槽采用深度分層銑削。相同深度所有槽加工完，再進行下一個深度的加工，保證了材料整體受力均勻。因鈦合金韌性較好，鉆孔時增加抬刀次數(shù)，從而避免較長的鐵屑纏在鉆頭上，造成工件劃傷。攻絲采用前頭引牙較多的絲錐。先用機床引牙，然后手動攻絲。既保證了螺紋的垂直度，也降低了斷絲錐的風險。這個面所有尺寸全部加工到位后工件翻面，用同樣的方法加工另一面的倒角、開口槽等。至此工件加工全部結束。

四、結語

本文以鈦合金細長件為案例，闡述了在加工中遇到的困難和解決方法，介紹了工裝的設計原理和作用，形成了一套完整的加工工藝。深刻體會到一種產(chǎn)品的加工工藝可能不是一種，但要根據(jù)產(chǎn)品的要求、訂單的數(shù)量、可用的機床及其他設備的情況，綜合考慮，權衡利弊最終選擇最合適的工藝，才是好工藝。