鈦合金渦輪蝸桿安裝座數控加工淺析

黃斌

摘要：本文針對某產品鈦合金殼體的結構特點，對數控加工的難點及加工方法進行了分析探討，重點介紹了內孔的數控鏜削加工，并介紹了一種消除重復定位間隙的方法，通過實際加工，本文提供的加工方法能夠滿足設計要求，給以后加工類似零件提供借鑒經驗。

關鍵詞：鈦合金；殼體；定位夾具；數控鏜孔；零點找正

1 引言

鈦合金以其比強度高、機械性能及抗蝕性良好而成為飛機及發動機理想的制造材料，但由于其切削加工性差，長期以來在很大程度上制約了它的應用。隨著加工工藝技術的發展，近年來，鈦合金已廣泛應用于飛機發動機的壓氣機段、發動機罩、排氣裝置等零件的制造以及飛機的大梁隔框等結構框架件的制造。

某產品殼體零件材料為鈦合金TC6，屬難加工材料并且尺寸精度要求高，尤其是殼體內孔的加工尺寸精度和形位精度要求都很高，而內孔又是用于渦輪和蝸桿的安裝，孔尺寸精度和形位精度的好壞直接影響渦輪蝸桿的裝配。

2 殼體結構分析及加工難點

2.1 結構分析

圖1所示為某產品殼體結構示意圖，該殼體結構并不是很復雜，但是零件外形不規則，殼體內部由一大一小的內孔十字相貫，外形由一圓柱和一方形凸臺相交組合而成。加工外形時不能夠一次車成型，還需要數控對外形進行加工。另外，內孔為臺階孔，其中φ26+0.016 +0.007，φ27+0.05 0，φ27組成一組臺階孔。

2.2 加工難點

①材料難加工。材料為鈦合金TC6，切削加工性能差，容易粘刀，加速刀具的損壞。在切削區局部溫度高，因而影響刀具的耐用度。另外，毛坯為棒料，余量較大，給加工增加了很大難度。

②內孔φ26+0.016 +0.007公差帶僅為0.009，空間尺寸27+0.02 0很難控制。

③形位公差要求高，垂直度不大于0.014，圓柱度不大于0.012，圓度不大于0.012。

3 殼體φ26+0.016+0.007內孔的加工

3.1定位夾具設計

如圖2所示，定位夾具大外圓φ140，定位部位圓柱直徑φ47-0.005 -0.010，在φ140圓柱面上加工一處平面，尺寸為50，大于尺寸42，目的是在裝夾時該平面可以作為靠平基準，并且保證零件小端面與臺虎鉗不干涉。

該定位夾具可以起到定位作用并且在壓緊零件時，虎鉗鉗口不直接夾住零件端面，避免壓傷零件。此外，加工內孔φ26+0.016 +0.007需要兩個圓柱定位夾具其中一件為鋁制件，另一件為鋼制件，鋁制件為粗銑內孔時用，定位間隙允許為0.02。鋼制件為半精鏜、精鏜內孔時用，定位間隙為0.005，盡量減小定位誤差對尺寸精度的影響。

3.2加工方案確定

殼體內孔φ26+0.016 +0.007加工步驟：鉆φ26+0.016 +0.007底孔為φ16→銑至φ25.6→半精鏜至φ25.84→精鏜內孔φ26+0.016 +0.007。

3.3 粗銑孔

3.3.1 銑刀的選擇。查閱相關資料，加工鈦合金應選擇硬質合金刀具，因此粗銑孔采用的銑刀為φ10×22的三齒合金銑刀。

3.3.2 裝夾方法

切削鈦合金時吃刀抗力較大，故工藝系統需保證有足夠的剛度。由于鈦合金易變形，所以切削夾緊力不能大，必要時可使用一定的輔助支承。粗銑孔時采用兩次裝夾掉頭加工孔。主要是銑刀的長度不夠制約，刀具越長剛性不夠，切削效果不理想。如圖3所示，第1次裝夾時，首先在機床臺面上固定住精密臺虎鉗，并校準。然后將零件和定位夾具一起裝到臺虎鉗上找到合適的裝夾位置，然后安裝輔助定位支承，并校準。裝夾零件時，將零件方形凸臺的上平面貼住輔助支承平面，留出一定的位置作為校正零件用。

3.3.3 粗銑內孔。切削鈦合金一般采用較低的切削速度、適中的進給量和較大的切削深度。切削速度宜低，以免切削溫度過高；進給量適中，過大易燒刀，過小則因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過快；切削深度可較大，使刀尖在硬化層以下工作，有利于提高刀具耐用度。切削參數給定為：主軸轉速S=300r/min，進給量F=20mm/min，切削深度10mm。

粗銑內孔至φ25.6的同時，將φ27+0.05 0內孔粗銑至φ26.5，并將端面銑平，保證尺寸84±0.2要求。然后用數控車床將內孔φ27加工至尺寸，這樣做的目的是在進入半精鏜和精鏜時減少鏜孔的切削面積，能有效的保證內孔φ26+0.016+0.007尺寸精度和形位公差。

3.4 半精鏜、精鏜孔

3.4.1 鏜刀的選擇。鏜刀選擇半精鏜刀、精鏜刀兩種。鏜刀采用進口的501白鋼刀磨制而成。合理的鏜刀片幾何角度對鏜孔切削力的大小、工件表面質量都是至關重要的。我們知道，刀具的主要幾何角度對切削力的影響是很大的。刀具前角大小，決定了刀具的鋒利程度。前角大，摩擦力減小，切削阻力小。若前角過大，會使刀具的楔角減小，刀具強度減弱，具散熱條件差，切削阻力大，刀磨損加快。而在鏜孔加工中，前角取10°～15°較合適。粗鏜時取較小前角10°，精鏜時取較大前角15°。鈦合金已加工表面彈性恢復大、冷硬現象嚴重，采用大后角可減小對后刀面造成的摩擦、粘附、粘結、撕裂等現象，以減小后刀面的磨損。各種切削鈦合金刀具的后角基本上都大于等于15°。后角取15°～20°較合適。粗鏜時取較小后角15°，精鏜時取較大前角20°。

3.4.2 裝夾方法

鏜孔裝夾方法和粗銑孔裝夾方法一致，但只進行一次裝夾，利用鏜刀將兩端內孔φ26+0.016 +0.007一次鏜到位。見圖4。

定位可靠性分析：定位夾具與孔配合間隙0.005，精密臺虎鉗精度高0.005，裝夾時夾緊力方向為Y方向，并用輔助支承靠住零件工藝基準面，裝夾可靠，零件定位精度高。

3.4.3 找正零件坐標零點。

1）首先明確坐標零點位置，如圖5所示，零件坐標零點設置在φ26+0.016+0.007孔中心位置處，Z0設置在凸臺平面上。

2）如圖5所示，校直B工藝基準面。在找正坐標零點之前首先校直B面，保證兩孔軸線互相垂直。

3）如圖5所示，設置X0，常規做法是校正φ68-0.05-0.10外圓圖示位置1和位置2處找到零件中心，然后向凸臺位置移動27.01（注：僅移動X軸），然后清零，完成X0設置。但由于數控機床本身存在一定的軸向間隙，造成重復定位誤差，在找正X0過程中，會造成零點設置誤差。采用以下方法消除軸向間隙帶來的不利影響：當百分表位于圖示位置1時，找正零件φ68-0.05-0.10外圓，當主軸向位置2移動時，主軸應超出位置2多移動一段距離直到位置3，然后再返回位置2找正φ68-0.05-0.10外圓，確定零件中心，然后再向凸臺位置移動27.01mm（注：僅移動X軸），然后清零，X0就設置完成。在找正過程中有一點特別重要，那就是必須先找正位置1，不允許先找正位置2。這樣可以消除是X軸變向時產生一定的定位誤差。通過運用該方法，尺寸27+0.02 0得到有效的控制。

4）如圖5所示，按照消除軸向間隙的方法，首先將Y軸移到位置4，然后再返回到找正端面A，最后將Y軸向負方向移動31mm，數據清零，Y0設置完成。

5）如圖5所示，找正尺寸84±0.2端面，數據清零，設置Z0。

3.4.4 裝夾、找正好零件后，對孔進行加工，首先，進行半精鏜，切削參數的選擇：主軸轉速100r/min，進給量15mm，切削深度0.12mm。加工至尺寸φ25.84，并利用內徑千分尺測量內孔尺寸，根據實測值進行適當的調整達到理想狀態。其次，進行精鏜φ26+0.016 +0.007。切削參數與半精鏜一致，只需要將半精鏜刀換成精鏜刀即可。

4 結束語

通過以上的加工方法對11件殼體零件內孔φ26+0.016 +0.007進行加工，加工后通過三坐標檢測，各項參數均滿足圖紙要求，解決了加工中的難點，為后續加工生產打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]《機械設計師手冊》，《機械設計師手冊》編寫組，機械工業出版社。

[2]《機械加工工藝手冊》孟少農 主編，1998年3月出版，機械工業出版社。

[3]《夾具工程師手冊》 劉文劍，曹天河，趙維緩編，1987年，黑龍江科學技術出版社。

[4]《高強度鋼高溫合金和鈦合金的切削加工》，郭東仁譯著，機械工業出版社。