TC4鈦合金浮球車削加工研究

劉衛標

（云南昆鋼重型裝備制造集團有限公司，云南 昆明 650501）

鈦合金浮球因其獨特的高強度，耐腐蝕性等特點，廣泛應用在深海領域，探測海底地形地貌，海底生態環境。隨著我國海洋產業的發展，深海探測將越來越頻繁，對鈦合金浮球的需求將越來越大。但是，由于鈦合金難以加工的性能，造成浮球產量受限，成本高居不下。如何突破加工瓶頸，成為大家攻克的難關。

1 TC4鈦合金材料性能

鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于(a+b)型鈦合金，具有良好的綜合力學機械性能。TC4的強度sb=1，012MPa，密度g=4.4×103，比強度sb/g=23.5。熱導率低l=7.955W/m·K，為鐵的1/5、鋁的1/10。彈性模量較低E=110GPa，約為鋼的1/2。

鈦合金屈強比高，變形抗力和變形回彈量大，在薄壁部位車削加工時容易產生變形。鈦金屬在高溫下仍能保持其硬度和強度，因而切削刃會遭遇高作用力和應力，再加上切削區產生的高熱，意味著很可能出現加工硬化，這會導致某些問題產生，特別是不利于后續切削工序。鈦合金化學活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應，形成溶敷、擴散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現象。因此切削加工時冷卻液要保證充足，冷卻液循環速度要快，切削液流量和壓力要大[1]。

2 鈦合金浮球特點

①該球體有上下兩半組成，裝配后，兩球體球心不重合，直徑最大為700mm；成品重量約90kg半球重量45kg。②該球體為薄壁件，最薄處厚度為13mm，最厚處26mm。③兩個半球的結合面、尾部端面加工精度要求高，表面精度Ra0.8。

加工好的浮球如下圖所示。

圖1 浮球成品

3 切削加工

3.1 粗車加工

粗車是指表面的粗度加工，主要是將工件表面的剩余材料切削掉，對表面要求不高，以及幾何尺寸也要求不高。粗車加工主要是去除加工表面大部分的加工余量，在允許的范圍內應盡量選擇的大的切削深度和進給量，以生產效率為主。粗車時，采用普通的臥式數控車床，刀具選用YG3，YG8。鈦合金車削時表面會硬化，采用大的進刀量，刀尖要吃過表面硬化層，配上合適的轉速，粗車吃刀量0.8mm效果較好。由于加工余量較大，最大切削深度曾經達到1.8mm。YG8硬質合金刀具特點。密度：14.6-14.8；硬度HRA：90.5；抗彎強度2300Mpa。抗彎強度高，抗沖擊，抗振性較好，適于鑄鐵、有色金屬及其合金、非金屬材料的低速粗加工。

圖2 初加工

3.2 精車加工

精車是加工工藝中的精加工工序，需要保證產品的尺寸公差，形位公差，表面粗糙度的相應要求。精加工主要是達到零件的全部尺寸和技術要求，半精車和精車應盡量選取較小的切削深度和進給量，而切削速度則可以取高點，精車要求車削深度要小，走刀量也要小，精車完畢后，不但工件的直徑幾何尺寸要合格，而且對表面的粗糙度要求也要合格[2]。

鈦合金化學活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應，形成溶敷、擴散，造成粘刀，加工時要選用不含鈦元素的刀具，對比后發現山特維克的專用車刀比較理想，刀具材質選用1105或者1115。

精車分內腔加工與外壁加工兩道工序。

（1）內腔加工在數控立車上進行，加工時轉速不易過快，上端部加工轉速控制在42r/min以內。隨著加工越來越靠近底部，直徑越來越小，線速度越來越快，當線速度升高到一定程度時，應及時調整，最高轉速不能超過75r/min。切削液用的是安默琳（ARMORINE）半合成冷卻液，型號為METKOOL605。精加工采用中等進刀量，基本控制在0.5mm，最后一刀控制在0.05mm。加工兩個半球的接合面時，要求表面精度Ra0.8。將轉速控制在40r/min，配合0.05mm的進刀量，成品檢驗時光潔度為R0.47。

圖3 外壁加工

圖4 內壁加工

（2）外壁加工時，應先在銑床上加工掉底部的工藝夾頭。安裝緊固采用專用工裝夾具，確保工件穩固。

外壁加工工藝與內壁加工相同。

4 鉆孔加工

TC4鈦合金的攻絲是一大問題，只能采用手動攻絲，攻絲前先用機床引一下（大概2牙～3牙）。絲錐選用日本螺旋絲錐，要保證絲錐的排屑性好，有條件應減小絲錐刀口后角，盡量減少絲錐和TC4的接觸面積，潤滑液用四氯化碳。工件上直徑30mm的孔有光潔度要求，先用25的鉆頭打個孔，然后用鏜的方式加工，同樣用大吃刀低轉速，不能直接鉆[3]。

5 結論

TC4鈦合金由于其獨特的材料特性，造成其獨特的車削加工性能。本工件為薄壁球形體，加工過程復雜，不同的階段配合不同的轉速與進刀量，采用“低轉速、低進給、大切深”加工工藝，很好地完成了工件的加工，尺寸精度與表面精度都達到了圖紙的要求。