鈦合金薄壁機匣安裝邊零件切削工藝改進

黃承志

貴州航宇科技發展股份有限公司 貴州貴陽 550081

1 序言

由于鈦合金具有無磁性、耐蝕性好、熱強度高和質量輕等優點，因此鈦合金薄壁零件具有空間占比較小、質量輕的優勢，被廣泛應用于航空、航天及船舶等多個領域[1]。而TA15鈦合金是典型的難加工材料，其彈性模量小，導熱性差。因薄壁件切削加工的變形受工件結構及材料、工裝夾具、切削參數及其他因素的影響，故TA15薄壁件的切削加工較為困難。

2 TA15鈦合金化學成分及性能

TA15鈦合金切削加工的難度主要由材料本身的化學成分、金相組織和力學性能所決定。其化學成分[2]見表1，力學性能見表2。

表1 TA15鈦合金化學成分（質量分數） （%）

表2 TA15鈦合金力學性能

3 影響薄壁件變形的因素及解決措施

（1）工件的結構及材料特性 航空、航天及船舶領域存在大量的薄壁環形件，不同結構工件的強度、剛度存在著差異。材料和力學性能不同，切削加工就會有很大差異[3]。

（2）工裝夾具 工裝夾具對薄壁件的變形影響很大。零件若受夾緊力不均勻，則形位會發生變化，從而影響加工精度。裝夾變形的預防措施包括：①將徑向夾緊方式改為軸向夾緊方式，避免松開零件后產生較大的變形。②增加端面壓緊點數量，使零件在機械加工過程中受力均勻，減小裝夾變形。

（3）切削參數 根據零件特性選擇合適的刀具和切削參數。可以采用高速切削技術來降低加工時的切削力，以減小加工變形。選擇較小的吃刀量，以減小振動，從而保證加工精度[4]。

（4）其他影響因素 主要是零件受熱變形。選擇合理的切削液，可以有效地降低切削過程中刀具及零件摩擦產生的熱量，減小熱變形量，提高加工精度。

4 薄壁機匣安裝邊零件結構

薄壁機匣安裝邊零件如圖1所示，零件尺寸如圖2所示。該零件為大直徑薄壁零件，主要由薄壁直筒、兩個外徑法蘭、兩個外徑凹槽及圓倒角組成，零件材料為TA15鈦合金，尺寸公差和表面粗糙度要求都比較嚴格，加工難度較大。

圖1 薄壁機匣安裝邊零件

圖2 零件尺寸

5 加工難點分析

根據零件的尺寸要求，內徑φ（895.42±0.05）mm、外徑凹槽φ（902.25±0.05）mm、外徑凹槽高度（35.04±0.03）mm、最小壁厚（2.78±0.08）mm、高度尺寸（75.91±0.05）mm以及部分表面要求表面粗糙度值Ra≤1.6μm等均是該零件的加工難點。因該零件直徑大，為φ956.05mm；最小尺寸公差為±0.03mm，最薄壁厚為2.78mm；部分表面要求表面粗糙度值Ra≤1.6μm，故該零件的切削加工極其困難。

6 工藝方案

通過對零件結構及加工難點的分析，制定出加工工藝方案見表3。

表3 加工工藝方案

7 方案的實施

（1）刀具的選擇 鑒于鈦合金熱導率差、比熱容高、易產生積屑瘤、彈性模量低以及回彈性大的加工特點，應盡量選擇切削力小、耐磨性好的刀具。粗車時選用抗沖擊性較好的Y G8硬質合金刀具，半精車和精車時選用CNMG120408MS和CNMG120404MS涂層硬質合金刀片。為了改善散熱條件，增強刀具壽命和提高生產效率，TA15鈦合金粗加工優選負前角刀片，精車選用正前角刀片[5]。

（2）工裝夾具設計 工件加工時，因直徑較大、壁厚較薄，不能用徑向夾緊，宜采用軸向夾緊的工裝夾具，以減小裝夾產生的變形。工裝夾具1、夾具2分別如圖3、圖4所示。

圖3 工裝夾具1

圖4 工裝夾具2

（續）

（3）切削參數 根據零件材料、尺寸精度和表面粗糙度要求，結合刀具手冊上推薦的切削數值，確定了刀具的切削參數見表4。

8 生產結果驗證

通過對TA15鈦合金薄壁件的加工工藝研究，在生產驗證中合理安排工藝路線，設計合理的工裝夾具，選用合適的刀具和切削參數，粗車時優選低速、中速切削，較大進給量和較大吃刀量；半精車和精車時優選高速切削、較小進給量和較小吃刀量，可以有效地保證薄壁件的加工精度。薄壁件關鍵尺寸檢驗記錄見表5。

表5 薄壁件關鍵尺寸檢驗記錄 （單位：mm）

9 結束語

鈦合金薄壁件的切削加工是公認的難題，加工過程中主要是防止薄壁件發生變形而影響加工精度。本文以TA15鈦合金薄壁機匣安裝邊零件加工為例，基于零件的材料特性、結構特征和加工要求進行工藝分析，對影響變形的因素提前采取預防及解決措施，通過制定合理的加工工藝路線，設計合適的工裝夾具，選用科學的走刀路徑、合適的刀具和切削參數，及時處理好零件內部的殘余應力問題，可以有效地減少薄壁件的變形，保證零件的加工精度。

如何控制變形是薄壁件加工的主要難點。該文以TA15機匣安裝邊零件為例，基于零件的材料特性、結構特征和加工難點進行工藝分析，制定出詳細的切削加工方案，對影響變形的因素提前采取預防及解決措施，通過生產驗證，有效降低了薄壁件加工變形。

對薄壁件加工方案細致入微的描寫是文章的一大特色。切削工藝過程的設計詳盡而全面，細化到每一個加工步驟，附帶零件工步圖和工裝裝配圖。在刀具選擇和切削參數、工裝設計方面也考慮得比較周全，為類似產品的切削加工提供了經驗借鑒。

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