數(shù)控加工技術(shù)在鈦合金材料加工中的應(yīng)用研究

王 鵬，李媛媛，董新飛，孫旭東

（西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710201）

鈦合金是一種非常重要的材料，不僅具有較高的強(qiáng)度，而且質(zhì)量輕，具有良好的抗腐蝕性和力學(xué)性能，因此，在海洋技術(shù)領(lǐng)域及空間技術(shù)領(lǐng)域有著非常普遍的應(yīng)用，但鈦合金銑削加工一直是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題[1]。為了研究鈦合金銑削加工技術(shù)，本文以鈦合金光學(xué)鏡為例，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)在鈦合金材料加工中的應(yīng)用展開探討。

1 鈦合金零件的性能特點(diǎn)及其應(yīng)用

①鈦合金材料強(qiáng)度高，可以達(dá)到1500MPa以上，密度小，只有4.5g/cm3，是比強(qiáng)度最高的金屬材料之一。②鈦合金高溫強(qiáng)度高，在300℃～500℃具有非常好的熱穩(wěn)定性，與鋁合金相比強(qiáng)度高出其數(shù)十倍之多。③鈦合金抗蝕性非常的突出，在海水介質(zhì)以及潮濕大氣當(dāng)中，鈦合金與不銹鋼相比，其抗蝕性好更好，在抵抗應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、酸蝕方面性能更加優(yōu)越。④鈦合金有著非常強(qiáng)的化學(xué)活性，與大氣中02、N、H、C0、C02、水蒸氣等接觸之后能夠形成強(qiáng)大的化學(xué)反應(yīng)，溫度在600℃時(shí)，具有強(qiáng)烈的吸氧性，形成硬化層，具有非常高的硬度，脆化層和H含量有著至關(guān)重要的影響。⑤鈦導(dǎo)熱性不良，導(dǎo)熱系數(shù)偏低，是Ni、Fe、A1的1/4、1/5、1/14。而在導(dǎo)熱系數(shù)方面鈦合金材料更低，通常在50%。

2 應(yīng)用舉例

將加工鈦合金光學(xué)鏡筒作為研究對(duì)象，探討其加工工藝過(guò)程中存在的一些難點(diǎn)，選擇冷卻液與刀具，對(duì)比相關(guān)的加工措施，闡述分析鈦合金銑削加工工藝[2]。

（1）光學(xué)鏡筒零件介紹及加工內(nèi)容。對(duì)于光學(xué)鏡筒而言，在其加工過(guò)程中有著非常高的精度要求，同時(shí)還有著較強(qiáng)的密封性和強(qiáng)度要求等，加工過(guò)程中應(yīng)用的鈦合金材料為TC4，屬于一種a+β鈦合金。林間加工過(guò)程中，通過(guò)數(shù)控銑削外形圓弧R42.5，119下端面減重腔、140右端面減重腔及密封槽、外形斜筋及減重腔。為更好的保證設(shè)計(jì)基準(zhǔn)以及工藝基準(zhǔn)和加工基準(zhǔn)存在的統(tǒng)一性，在Φ77圓柱以及140右端面中心點(diǎn)位置設(shè)置加工基準(zhǔn)。

（2）鈦合金的切削加工難點(diǎn)。①具有非常低的彈性模量，而且存在較大的彈性變形，與后刀面位置想接近處工件表面具有非常大的回彈量，因此后刀面和加工表面，都存在非常大的接觸面積，增加刀具的磨損程度。②導(dǎo)熱系數(shù)不高，需要很高的切削溫度。切削部位和刀具無(wú)法較常接觸，導(dǎo)致切削刃周圍一定區(qū)域上集聚很大的切削熱量，難以快速散去。③鈦合金具有非常高的硬度，塑性較低，加大了剪切角，前刀面與切削部位不能較長(zhǎng)接觸，造成大的切削力存在于單位前刀上，極易引發(fā)崩刃。④加工過(guò)程中有明顯的硬化問(wèn)題出現(xiàn)在材料表面。因鈦具有非常高的活性，能夠和大氣中很多物質(zhì)形成突出的化學(xué)反應(yīng)，增加表層的硬度與脆性，尤其是高溫條件下加工過(guò)程中，會(huì)有氧化硬層出現(xiàn)，加大局部應(yīng)力，使材料疲勞強(qiáng)度大幅降低，極易對(duì)刀具造成損壞。⑤存在非常突出的黏刀問(wèn)題。切削過(guò)程中，刀具材料常常被切削表面層進(jìn)行咬合，引發(fā)突出的黏刀問(wèn)題，增加磨損程度。⑥加工斜面傾角過(guò)程中存在明顯的過(guò)切現(xiàn)象。通過(guò)高晶加工策略應(yīng)用之后，存在型腔中的一些角落，還有明顯的不光滑問(wèn)題。倘若隨著型腔輪廓有一條刀路，那么這些角落會(huì)很光滑。圖1顯示斜率的部位出現(xiàn)刀路過(guò)切問(wèn)題。⑦加工密封槽。密封槽的規(guī)格為深、寬分別為1.97mm、3.8mm，受槽寬影響，只能保持3.8mm的銑刀直徑。依照銑刀標(biāo)準(zhǔn)，利用Φ3立銑刀進(jìn)行切削。過(guò)去在進(jìn)行切削過(guò)程中，主要通過(guò)0.5mm層銑法，將Z軸作間隙運(yùn)動(dòng)，依照XY軸方向進(jìn)給刀具。因銑削過(guò)程中，在切削厚度上，各個(gè)刀齒都較小，由于切削厚度非常薄，取消過(guò)程中需要摩擦一段刀具，才可進(jìn)行切削。

在徑向上刀具受切削力作用，極易導(dǎo)致刀具發(fā)生彎曲問(wèn)題，對(duì)其使用壽命造成不利影響，特別是小直徑的刀具影響更為突出。折斷刀具過(guò)程中，受離心力的影響，在此位置會(huì)出現(xiàn)啃刀，對(duì)于密封槽的蜜蜂作用造成很大影響，極易引發(fā)零件報(bào)廢。

圖1 過(guò)切示意圖

3 解決問(wèn)題的措施

（1）刀具的選擇。加工過(guò)程中，該刀具在耐磨性以及抗彎強(qiáng)度和耐熱性方面，與硬質(zhì)合金銑刀相比較弱，具體加工時(shí)需要進(jìn)行讓刀，因此應(yīng)用細(xì)齒硬質(zhì)合金銑刀，為GC1030（HC)-S15材質(zhì)，能夠很好的應(yīng)對(duì)抗塑性變形以及抗積屑性，加工表面質(zhì)量較高。

（2）切削參數(shù)的優(yōu)化。采用較低速度進(jìn)行切削，能夠降低鱗刺和積屑瘤的出現(xiàn)；進(jìn)給量不大，使得表面粗糙度提高，有效控制彈性變形，然而因鈦合金材料常常發(fā)生氧化硬層，進(jìn)給量如果不大，會(huì)造成刀具一直處于硬化層切削，使其磨損度進(jìn)一步增強(qiáng)。通過(guò)大的背吃刀量，能夠有效控制這種現(xiàn)象發(fā)生，避免對(duì)刀具造成過(guò)大磨損，還能延長(zhǎng)刀刃使用壽命。

（3）走刀方式的選擇。順銑過(guò)程中，因鈦合金較小的彈性模量，常常出現(xiàn)讓刀問(wèn)題，所以應(yīng)當(dāng)進(jìn)行光刀一次。順銑過(guò)程中走刀方向以及水平分力，在工作臺(tái)上相一致，因有間隙存在于絲杠和螺母間，能夠造成工作臺(tái)發(fā)生竄動(dòng)問(wèn)題，出現(xiàn)啃刀。然而數(shù)控加工中心螺母與絲杠沒(méi)有間隙存在，這更利于順銑走刀。

（4）切削液的配制。將水溶乳化液（不含氯）作為切削液體，不會(huì)對(duì)加工表面造成腐蝕，粗加工過(guò)程當(dāng)中，可以通過(guò)切削液，將切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量帶走，提高切削刃的強(qiáng)度，控制磨損發(fā)生，還有良好的冷卻作用。配制成5%的溶液，精加工過(guò)程中通過(guò)切削液，可以有效保證表面質(zhì)量，控制前刀面與切屑間產(chǎn)生的摩擦角，使得剪切角增大，并降低銑削力，起到良好的潤(rùn)滑效果，配制為10%的濃度。

（5）密封槽的加工。鉆削式去除材料法是依照Z(yǔ)軸方向?qū)Φ毒哌M(jìn)行進(jìn)給，間運(yùn)動(dòng)沿著XY軸運(yùn)動(dòng)，對(duì)材料大量快速的進(jìn)行去除，并能很好的保護(hù)刀具，增強(qiáng)其使用壽命，避免過(guò)多的成本投入。

4 結(jié)論

①加工鈦合金材料過(guò)程中應(yīng)當(dāng)?shù)退龠M(jìn)行，同時(shí)采用大吃刀量，所以控制進(jìn)給量。利用高速鋼銑刀進(jìn)行粗加工，利用PVD涂層硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)行精加工，保證效率與質(zhì)量的同時(shí)，有效控制成本。②經(jīng)計(jì)算獲知，斜面斜率情況引發(fā)球頭刀以及斜面切削點(diǎn)發(fā)生很大變化。③窄槽加工時(shí)，可以利用鉆削式去除材料法。