鈦合金端面槽精密數控車削加工工藝研究

張文明，楊新一，王 勃

(1.中航工業洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009；2.國網汝陽縣供電公司，河南 汝陽 471200)

鈦合金由于具有高強度、低密度和高耐腐蝕的特點，在航空航天工業中獲得了廣泛的應用。然而在加工過程中，刀具耐用度低，熱導率小，粘刀嚴重，其屬于難加工材料[1-2]。

1 鈦合金端面槽結構及加工技術要求

方位軸下支座是光電探測設備方位部件中的關鍵零件，其涉及到多組精密軸孔配合，包括軸承配合、裝調基準、靜密封和動密封等。其中，方位軸座端面槽側壁是保證整機產品密封性能的關鍵特征，其尺寸精度、幾何誤差要求嚴格(見圖1和圖2)。

圖1 端面槽結構

圖2 端面槽加工技術要求

2 鈦合金端面槽精密車削工藝難點

根據該零件的技術要求及結構特點，采用臥式車削中心進行加工，通過專用工裝的設計與應用，可以一次裝夾完成多處內外圓的加工，也能更好地保證工件的幾何公差、尺寸精度等。

方位軸下支座的端面槽在加工過程中存在較大的刀具干涉深度，需要采用專用的端面槽刀配合切削鈦合金的專用刀片進行加工。本著先粗后精、基面先行的加工原則，制定了方位軸下支座的數控車削加工工藝路線(見表1)。

表1 端面槽精密車削加工工藝路線

采用上述加工工藝加工的端面槽零件，檢測結果顯示，端面的尺寸及幾何公差均滿足產品性能要求，但是表面粗糙度>Ra6.3 μm，遠遠達不到圖樣Ra0.8 μm的設計要求。端面槽的加工效果圖如圖3所示，可以看到加工表面具有明顯的魚鱗狀顫刀紋。

圖3 方位軸下支座端面槽車削加工效果圖

3 鈦合金端面槽精密車削加工工藝研究

方位軸下支座的端面槽結構加工干涉距離長，需要長懸伸的加工刀具，在加工過程中出現了明顯的顫刀紋，分析導致端面槽顫刀紋的原因如下。

1)切削力過大，而機床系統剛度不能滿足該切削力，則導致了顫刀紋的出現(切削參數設置不合理，切削參數的設置直接決定了切削力的大小[3]；刀具選型不合理，刀具的幾何參數與切削力緊密相關；上述原因均可導致)[4-5]。

2)利用端面槽刀加工端面槽具有其工藝方法本身的局限性，無法加工出高質量的零件表面[6-7]。

3.1 切削參數的影響

根據切削顫振原理，未加工表面的表面波動會被復現，即產生再生型顫振，因此控制好端面槽粗加工質量至關重要。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，對于端面槽車削粗加工來說，其切削寬度由刀片的寬度決定，是恒定值，主要控制主軸轉速和進給速度[8-9]。

切削力會隨切削速度的增大而減小，但是切削速度的增大會導致刀具磨損加快；進給速度越快則切削力越大，因此筆者將進給速度控制在最低的數值0.01 mm/r。根據經驗，將車削鈦合金的線速度控制在100 mm/min以內，在這個范圍內，不同線速度下的加工效果如圖4所示。

《魯迅小說》前100、字中獨有的17字為：“眼、便、吃、幾、見、老、兩、年、氣、卻、三、聲、十、四、似、太、阿”；《北語字表》獨有的17字為：“種、當、兒、爾、發、會、開、能、情、如、身、斯、特、現、意、用、把”。

圖4 不同線速度下端面槽車削效果

從加工效果來看，使用端面槽刀開端面槽時，在100 mm/min的線速度范圍內，改變切削線速度對消除顫刀紋的效果不明顯。

開槽后，用端面槽刀對槽擴寬，通過改變切削線速度vc、Z向進給量f以及背吃刀量ap，來試驗不同切削參數下的表面加工質量，試驗參數見表2。

表2 端面槽擴槽加工試驗參數

按照表2所列加工參數對端面槽進行擴槽加工試驗，端面槽車削效果如圖5所示。由圖5可以看出，加工表面仍存在較為嚴重的顫刀紋，并且顫刀紋的大小隨參數的改變沒有明顯的變化。

圖5 不同切削參數下端面槽車削效果

可見，使用目前的端面槽刀對零件進行加工，在試驗的加工參數范圍內，加工參數的改變沒有提升零件的表面質量。

3.2 刀具幾何參數的影響

切削力的大小與刀具的幾何參數息息相關，減小刀具前角，增大后角，可以使刀具更加鋒利，會減小切削層的變形及前面屑摩擦力[10-11]；而刀尖圓弧越小，刀具越鋒利。因此，主要改變刀具這2個方面的幾何參數，來觀察加工的效果。

不同前角下端面槽車削效果如圖6所示。根據加工效果可知，隨著刀具前角的減小，表面顫刀紋明顯減小。

圖6 不同前角下端面槽車削效果

不同刀尖圓角下端面槽車削效果如圖7所示。根據加工效果可知，刀具刀尖圓角的改變對端面槽表面顫刀紋的消除效果不明顯。

圖7 不同刀尖圓角下端面槽車削效果

由上述分析可知，在加工鈦合金端面槽的過程中，應盡量選取小前角的刀片進行加工。

3.3 加工方法的影響

利用端面槽刀精車鈦合金端面槽，通過改變刀具的幾何參數，端面槽表面質量出現了明顯的改善，但并未消除顫刀紋；因此，考慮端面槽刀不適宜具有長干涉區的鈦合金端面槽的精密車削加工，需要更換其他工藝方法。

對端面槽進行了鏜削加工，采用40的鏜刀柄，刀具前角為0°。鈦合金端面槽鏜削加工及表面質量如圖8所示。

圖8 端面槽鏜削加工及效果

對端面槽進行鏜削加工發現，表面的顫刀紋完全消除，且表面粗糙度可以達到Ra1.6 μm，接近零件的設計指標。為了進一步降低零件表面粗糙度，對端面槽進行拋光處理，最終使零件表面完全符合產品設計指標。

3.4 工藝路線設計

根據試驗結果，對鈦合金端面槽精密數控車削加工工藝進行優化，優化后的端面槽精密車削加工工藝路線見表3。

表3 優化后的端面槽精密車削加工工藝路線

4 結語

鈦合金端面槽在車削加工過程中容易產生顫刀紋的質量缺陷，通過改變端面槽刀的幾何參數可以減弱加工表面的顫刀紋，但是不能完全消除。通過增加鏜削和拋光的加工工序，不僅可以完全消除顫刀紋，同時可以大幅提升鈦合金端面槽的表面加工質量。

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