TC4鈦合金引信天線零件精密加工研究

楊翰林， 黃 信， 陳 路

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

鈦金TC4有高強度比，耐高溫等優點。對導彈的性能提高有著極其重大的作用。鈦合金材料從設計使用角度上具有顯著的優越性，而從機械加工角度講，屬于難切削材料，加工難度較大，尤其是應用于引信天線的細長薄型板材結構件的加工。同時，零件上分布有四五十個微小波導縫隙，尺寸精度達±0．01 mm，也為零件的數控加工帶來極大挑戰，其加工制造難度也成倍提高。

雖然目前先進的數控加工設備可以達到很高的剛度和精確的運動控制，但該類零件在加工過程中存在殘余應力、裝夾力、切削力、切削熱等因素作用，零件極易發生加工變形和切削振動，導致加工誤差，從而難以保證零件的加工精度和表面質量，嚴重情況下造成零件報廢。因而，在保證加工效率的同時，如何采用有效措施控制或減少加工變形，保證加工質量是一個亟待解決的問題。

針對TC4鈦合金引信天線銑削加工變形產生的主要原因，通過理論研究和多年的實踐生產經驗，以切削力為研究對象，分析切削參數和切削力之間的關系，建立相應的數學模型，通過CAM軟件對切削刀路進行優化分析。這些理論和方法對于TC4鈦合金引信天線的高效精密數控銑削具有一定的指導意義［1，2］。

1 加工材料、設備及刀具

加工采用的是 TC4（Ti－6Al－4V）鈦合金，這是目前鈦合金中用量最大且性能數據最為齊全的一種鈦合金。其合金元素主要為Al和V，Al為α穩定化元素，V具有β穩定化作用，這兩種元素都有著顯著的固溶強化作用，在提高合金強度的同時，能保證良好的塑性和熱穩定性。TC4鈦合金具有良好的力學性能和工藝性能（包括熱變形性、焊接性、切削加工性和抗蝕性）。正是由于鈦合金具有比強度高、熱穩定性好、高溫強度高、化學活性大、熱導率低、彈性模量低等材料特性，給鈦合金銑削造成了很大的困難，使鈦合金成為典型的難加工材料。TC4鈦合金的化學成分和力學性能如表1所示［3，4］。

表1 TC4化學成分和力學性能

引信天線中接收引信上部和發射引信上部其結構極其容易變形，零件長達大于300 mm，內部有四五十個精度達±0．01裂縫。彎波導零件為雙面斜坡的零件。斜面精度要求±0．02。這給零件加工帶來極大的挑戰。組件圖和零件尺寸如圖1所示。

圖1 引信天線組件和尺寸

為了滿足零件要求，選擇的加工設備是哈默C800進口五軸加工中心，標稱轉速10 000 rpm，伺服系統精度等級0．008 mm，如圖2所示。

圖2 哈默C800

選擇專門針對不銹鋼、耐熱合金和鈦合金等難切削材料，具有不等螺旋角，提高刀具的抗振性，有效地延緩了刀具的崩刃。圖3為0．4 mm的刀具。

圖3 0．4 mm銑刀

2 切削參數優化

2．1 切削力試驗方案

加工設備：哈默C800五坐標加工中心。

測量儀器：Kistler－9 255B壓電測力儀。

刀具：0．4 mm三齒圓柱立銑刀。

銑削方式：順銑。

試驗安排：采用四因子四水平正交試驗方法見表2。

表2 四因子四水平正交試驗

對TC4切削時，影響銑削力大小的因素進行比較分析，并建立切削力經驗模型。圖中，ap為軸向切深、n為主軸轉速、f為進給量、ae為徑向切深。

2．2 切削力經驗公式

在機床特征和刀具幾何參數確定的前提下，根據金屬切削原理，切削力與切削參數之間存在復雜的指數關系，應用多因素正交回歸試驗建立切削力和切削參數之間的通用形式為

式中：CF為決定于加工材料、切削條件的系數；b1、b2、b3、b4分別 為 指 數。式 （1）兩 邊 分 別 取 對數得

利用MATLAB對試驗結果進行多元線性回歸分析，利用最小二乘法得到三向切削力最大值Fxmax、Fymax、Fzmax與軸向切削深度ap、主軸轉速n、進給量f、徑向切深ae之間的線性回歸模型：

利用MATLAB對試驗結果進行多元線性逐步回歸分析。對于Fxmax軸向切深的影響最為顯著，而徑向切深的影響不顯著。對于Fymax四個切削參數的影響均顯著，其中徑向切深和軸向切深的影響比其他兩個因素顯著。對于Fzmax軸向切深影響顯著，其他三個切削參數影響不顯著，得出切削力經驗計算公式為

本文建立的切削力模型的切削參數優化結果與切削力經驗公式的結果吻合較好，為TC4鈦合金小直徑刀具的切削參數優化提供了可靠的理論基礎。通過切削力模型優化和實際加工經驗選擇最優的切削參數：軸向切削深度ap為0．1 mm，主軸轉速n為1 700 r／min、進給量f為80 mm／min、徑向切深ae為0．28 mm［5］。

2．3 加工驗證

薄板零件加工的效率和工件變形很大程度上取決于加工的走刀策略。走刀路徑不同導致工件內原有殘余應力釋放順序不同，同時由于切削力和切削熱作用，產生新的應力，走刀路徑不同，新的應力與毛坯中原有殘余應力的藕合順序和藕合效果也不同，從而造成工件不同程度的變形。

在引信天線接收上部縫隙的加工中，由于刀具直徑小，因此在Z向下刀時不可采用傳統的Z向直接下刀方式（刀具直接Z向下刀會使刀具處于滿刀切削狀態，極易造成刀具折斷），因此在下刀刀路選擇上必須采用漸進下刀方式，減少刀具所受阻力，在Mastercam通常采用折線進刀與螺旋進刀兩種方式，在該零件加工中，由于冗余尺寸小于0．05 mm，則擬采用折線進刀方式加工［6，7］。

正式加工前需借助編程軟件進行刀路仿真，仿真如圖4所示。

圖4 刀路仿真

通過切削參數優化和刀路軌跡優化，加工完成的零件達到設計要求，加工零件如圖5所示。

圖5 零件

3 結論

本文針對TC4鈦合金引信天線精密數控加工進行深入研究，基于該類零件的技術特點，通過四因子四水平正交實驗方法和多元線性逐步回歸分析建立0．4 mm超小刀具TC4鈦合金切削力數學模型，分析各切削參數對切削力的影響程度。通過該數學模型和實際生產經驗優化了切削參數。通過Master CAM軟件對刀路軌跡進行優化、模擬和仿真，加工出符合設計要求的合格零件。

［1］ 鄔曉靜．引信天線與天線罩測量技術［J］．上海航天，2003，（5）．

［2］ 朱秀榮．數控機床加工精度和生產率的優化研究［D］．吉林大學碩士論文，2010．

［3］ 王宗榮，左敦穩，等．TC4鈦合金高速銑削參數的模糊正交優化［J］．南京理工大學學報，2005，29（6）．

［4］ 劉東，陳五一，等．鈦合金TC4切削過程流動應力模型研究［J］．塑性工程學報，2008，15（1）．

［5］ 劉振學，黃仁和，田愛民．實驗設計與數據處理［J］．化學工業出版社，2004，8（39－75）．

［6］ 曹巖．Mastercam X精通篇［M］．北京：化學工業出版社，2008．

［7］ 黃信，趙立，等．毫米波天線縫隙陣列板數控加工技術研究［J］．制導與引信，2011，32（1）．