鈦合金零件車削方案優化及工時計算

吳必鋒，蔣榮斌，王靈，韓瑜

貴州航宇科技發展股份有限公司 貴州貴陽 550081

1 序言

由于鈦合金具有質量輕、無磁性及耐腐蝕等優良性能，因此在除航空航天工業以外的新能源領域的使用數量呈爆發式增長。但受切削加工困難、切削加工成本高、加工效率低及表面質量差等難題的影響，中型φ2700mm鈦合金零件的機械加工初始時間單件為65～90h，加工周期長已成為企業的生產瓶頸。因產品交付周期短，故使得大量鈦筒鍛件需要委外加工，致使產品生產成本飆升，無法掌控。為解決鈦合金切削難題，在保證加工質量的同時大幅度提高生產效率，通過加工工藝方案的優化，縮短加工時間，以實現生產效率最大化。

2 鈦合金的特性

2.1 物理特性

鈦合金是一種多晶型金屬，在溫度低于882℃時為α晶型，原子結構呈密排六方晶格；高于882℃直至熔點時都是β晶型，呈體心立方晶格。以TA1鈦合金為例，其物理特性見表1。

表1 TA1鈦合金的物理特性

2.2 切削加工性

1）切削溫度高，屬于難加工材料之一。鈦合金在600℃以上切削時，與氣體發生劇烈的化學反應，鈦與氧、氮產生間隙固溶體，對刀具具有強烈的磨損作用。

2）鈦合金的塑性比較低，切削加工時使前刀面上的應力增大，切削刃容易發生破損。

3）鈦合金的彈性模量低，加工時彈性變形大，加工表面與后刀面的接觸面積特別大，摩擦非常嚴重。

4）鈦的親和性強，在切削過程中，切屑及被切削表層與刀具材料咬合，產生嚴重的粘刀現象，容易引起刀具的劇烈粘結磨損。

5）表層硬化嚴重。加工鈦合金時，除了塑性變形導致的表層硬化外，由于鈦元素的化學活性大，易與各種氣體雜質產生強烈的化學反應而形成表面變質污染層，從而導致表層硬化。

3 刀具的選擇

目前國內外用于切削的主要有硬質合金刀具、涂層刀具、聚晶金剛石刀具、陶瓷刀和立方氮化硼刀具等。根據鈦合金熱導率、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，在鍛件粗車削時，應選用抗沖擊性較強的YG8硬質合金刀具。YG8硬質合金刀具一般用于加工切屑呈崩碎狀的脆性材料，適用于粗加工和斷續切削。精車削時，選用涂層硬質合金刀片（如WNMG080408MS）。涂層刀具是在韌性較好的硬質合金基體上涂履一層或多層耐磨性好的難熔化合物，使刀具具有高的韌性、很高的硬度和耐磨性，其力學和切削性能好，通用性強，使用壽命比未涂層刀具高2～5倍。同時為了改善刀具的散熱條件和增強切削刃強度，刀具前角一般取5°～9°；為了克服因回彈而造成的摩擦，刀具后角一般取10°～15°[1，2]。

4 車削加工工藝方案

通過對零件的結構及加工難度進行分析，擬定如下加工工藝方案[3]。

1）設計合理的工藝夾臺。

2）壓緊工藝夾臺，將鍛件表面機械加工至90%以上見光，去除鍛件氧化皮、連皮等缺陷。

3）對零件進行粗加工和半精加工，采用對稱加工（內外徑切削深度均等）方式，使相對的兩個面應力均衡抵消，單邊留1mm加工余量。

4）為保證零件內外徑同軸度等幾何公差，采用一次性裝夾精車削一端面、內徑及部分外型面。

5）調頭用銅墊片或軟爪裝夾外徑，精車削另一端面及剩余外型面，完成零件的加工。

注意事項：1）、2）工步選用鎢鈷類硬質合金刀具，采用較低的切削速度、較大的切削深度和進給量進行切削加工；3）、4）和5）工步選用涂層硬質合金刀具，采用較高的切削速度、適中的切削深度和進給量進行切削加工。較高速切削加工適用于工件的粗加工、半精加工及精加工，切削速度一般控制在58～110m/min，具有工件溫升小、減小工件熱變形、切削力較低、材料切除率高及加工表面質量高等優點，更好地保證了鍛件的表面粗糙度及尺寸精度要求。

5 加工參數的選擇

通過鈦合金的切削特性及對刀具材料的選擇可知，由于切削鈦合金時，切削溫度高，刀具壽命低，切削用量中切削速度對切削溫度的影響最大，因此應該力求使所選擇的切削速度下產生的切削溫度接近最佳范圍[4，5]。

（1）切削速度vc切削速度對刀具壽命影響最大，最好能使刀具在相對磨損最小的最佳切削速度下工作。切削不同牌號的鈦合金材料時，由于材料強度差別較大，因此應適當調整切削速度。切削深度對切削速度也有一定的影響，應根據不同的切削深度來確定切削速度。不同鈦合金材料的切削速度校正系數見表2，不同切削深度的切削速度校正系數見表3。

表2 不同鈦合金材料的切削速度校正系數

表3 不同切削深度的切削速度校正系數

（2）進給量f進給量對刀具壽命的影響較小，在保證加工表面質量的情況下，可選用較大的進給量，一般取0.1～0.4mm/r。由于若進給量太小，則刀具是在硬化層內切削，增加了刀具磨損，同時極薄的切屑在高的切削溫度下容易自燃，因此不允許進給量過小。

（3）切削深度 切削深度對刀具壽命的影響最小，一般選用較大的切削深度，這樣不僅可以避免刀尖在硬化層內切削，減少刀具磨損，而且可以增加切削刃工作長度，有利于散熱。一般切削深度為1～5mm。鈦合金的常規切削用量見表4，其中工件硬度“軟”的材料牌號為TA1～TA7；硬度“中”的為T A8、T C3～T C8；硬度“硬”的為T C9、TC10、TB1和TB2。

表4 鈦合金的常規切削用量

6 加工工時的計算方法

1）主軸轉速n的計算公式為

式中，n為主軸轉速（r/min）；vc為切削速度（m/min）；d為加工前零件直徑（mm）。

2）零件各工步加工時間計算公式[6，7]為

式中，t為加工時間（h）；L為加工長度（mm）；vf為進給速度（mm/min）；n為主軸轉速（r/min）；c為加工次數，若是切槽，則c＝零件槽高度/（切槽刀寬度×0.6）；m1為不同鈦合金材料的切削速度校正系數；m2為不同切削深度的切削速度校正系數。

3）零件總加工時間計算公式為

式中，tr為總加工時間（h）；t1，t2，…，tn分別為各工步的加工時間（h）。

7 TA1鈦合金典型零件車削加工工時

7.1 矩形工件

1）在工件下端面留10mm工藝壓臺，內外徑按單邊留余量≥3mm進行粗車削（見圖1），去除鍛件氧化皮至鍛件表面90%以上見光即可。將各參數代入式（2），計算可得t1為7.23～16.3h。

圖1 矩形工件粗車削

2）壓緊工藝壓臺，對工件進行精車削一端面，如圖2所示。將各參數代入式（2），計算可得t2為22.72～44.71h。

圖2 矩形工件精車削一端面

3）調頭用銅墊片或軟爪裝夾外徑，精車削另一端面及剩余外型面（見圖3），完成零件的加工。將各參數代入式（2），計算可得t3為1.09～2.51h。

由式（3）計算可得tr為31.04～63.52h。由此可知，矩形工件加工時間可以達到最小目標值trmin＝31.04h。

7.2 異形工件

1）機械加工工藝壓臺如圖4所示。經計算可得切削加工工時為t1＝t1切槽＋t1平端面＝4.22h。

圖4 機械加工工藝壓臺

2）調頭裝夾，壓緊工藝壓臺，內外徑按單邊留余量≥3mm進行粗車削（見圖5），去除鍛件氧化皮至鍛件表面90%以上見光即可。經計算可得t2為7.8～17.59h。

圖5 異形工件粗車削

3）松開卡爪，重新找正，壓緊工藝壓臺，精車削內外徑（見圖6）。經計算可得t3為29.74～56.25h。

圖6 異形工件精車削內外徑

4）調頭用銅墊片或軟爪裝夾外徑，精車削另一端面及剩余外型面（見圖7），完成零件的加工。經計算可得t4為4.13～8.12h。

圖7 異形工件精車削另一端面

由式（3）計算可得tr為45.89～86.18h。由此可知，異形工件加工時間可以達到最小目標值trmin＝45.89h。

8 重要改進措施

1）根據鈦合金產品的結構特點，設計工藝壓臺，分為粗、精車削進行加工，合理分配加工余量，確保粗車削后，精車削時零件變形量受控，垂直度、圓度和同軸度同時滿足≤0.5mm的要求。

2）根據對應的鈦合金材料的切削加工特性，正確選擇加工刀具及加工參數。

3）根據鍛件的形狀、尺寸，制定合理的機械加工工藝方案。例如在前述矩形和異形工件的加工方案中：①在粗加工1工序，為達到大進給量和大切削深度，快速去除鍛件余量，使金屬切除率最高，選用鎢鈷類硬質合金刀具（如YG8），采用常規切削法，切削速度vc為25～36m/min，進給量f為0.25～0.45mm/r，切削深度為5～6.3mm，粗車削去除鍛件氧化皮至鍛件表面90%以上見光。②在粗加工2、3工序，選用涂層硬質合金刀具（如MWLNL、WNMG），采用較高速切削法，切削速度vc為40～110m/min，進給量f為0.08～0.3mm/r，切削深度為0.7～3mm，進行半精車削及精車削，保證零件機械加工后幾何公差的一致性和表面質量要求。

4）鍛坯熱處理前后，通過熱脹形工藝保證毛坯內外徑圓度控制在≤6mm，確保粗車削第一刀后，鍛坯內外徑90%以上見光，降低后續半精車削時的刀尖磨損。

5）該方案需在后續的實際生產加工中多次進行測試和驗證，通過持續改進與優化機械加工工藝參數，達成最小切削時間目標。

9 結束語

基于鈦合金零件機械加工工藝進行優化創新，將刀具材料、工件的裝夾方式及切削用量等要素結合起來合理設計，通過典型鈦合金零件車削工時的計算，形成一套完整的切削參數和工時計算方法。此工藝方案有效地解決了鈦合金零件加工成本高及加工效率低的問題，實現了鈦合金零件機械加工降本增效的目標。