某種異形零件加工方法研究

單元翔

（沈陽農業大學 信息與電氣工程學院，遼寧 沈陽110866）

在某型機械產品中實現傳遞扭矩和撓性補償能力的關鍵部件之一即為該異型零件，它的加工精度及成品率直接影響著該機械產品的工作狀態、加工成本以及企業的經濟效益。因此開展該種異型零件加工方法的專題討論，十分必要。本文通過綜合分析該型零件的材料特性、結構特點以及加工難點，最終提出了合理的工藝設計方法和可行的工藝路線，得到了該型零件的加工方法，充分的解決了其加工的難點問題。

1 材料特性、結構形式及加工難點

1.1 材料特性

材料采用具有高強度、耐腐蝕性好、高溫性能優異的鈦合金TC4。鈦合金TC4 屬于α+β 型鈦合金，是典型的難加工材料。1.1.1 塑性低，切削加工中塑性變形小，導致前刀面在切削時與零件的受力面積非常小，其結果是受力點壓力與溫度急劇增大，加工難度增大。1.1.2 熱傳導系數很低（7.955W/m·K），這對刀具冷卻非常不利，同時也會加劇刀具磨損。1.1.3 高溫下化學活性高，易形成表面硬化層。1.1.4 彈性模量小，僅為普通鋼的一半左右，加工表面回彈大，容易產生切削變形。

1.2 結構形式

該型零件主要由法蘭、型面、鉸制孔等結構組成。結構形式見圖1。

圖1 異型件結構形式圖

1.2.1 結構分析。此異型零件為盤類異型薄壁件，其中最大壁厚12mm,零件外形尺寸φ660，型面為曲線型面，表面光潔度要求達到Ra0.8，最小型面厚度1.5mm。

法蘭面內外分布兩圈鉸制孔，外圈孔數量為32 個，內圈為16 個，整體剛度偏低。

1.2.2 加工難點分析。a.鈦合金材料，容易產生切削變形，加工中刀具磨損嚴重；b.零件整體尺寸及形位精度要求很高，型面的光度及型線坐標點的精確非常嚴格；c.零件整體屬于薄壁件，無法利用現有機床卡盤裝夾，并且夾緊力過大會產生變形；只要進行切削加工，工件的內部就會產生內應力，工件的應力平衡就會受到破壞，內部組織的平衡狀態極不穩定，殘余應力重新分布，使工件產生變形。引起變形的因素有夾緊力、切削力、切削熱、定位誤差和振動變形等。因此，分析引起變形的因素及其影響程度，采取有效的防止變形的措施，是工藝中要解決的問題。

2 工藝工裝設計

針對上述問題，我們查閱了相關的資料，關于鈦合金的加工工藝及薄壁件控制變形的措施，總結了以下幾點：（1）減小機床熱變形對加工精度的影響；（2）改善潤滑、冷卻條件；（3）設計合理夾具，減小夾緊力變形；（4）設計合理工藝路線及參數，保證零件加工過程中變形量可控。

夾具設計：

首先，我們設計了適合此異形件夾具，并進行了加工驗證。根據機床用卡盤中的花盤原理設計出了適合此異型零件的工裝夾具，目的是減少零件受到的夾緊力，使其在加工過程中受力均勻，支承面積增大，切削變形得到控制。機床卡盤夾緊夾具，零件與夾具0.02mm 間隙配合，此時，零件不受徑向夾緊力，無彎曲、扭曲變形，夾具要求平面度≯0.015，內側采用壓板壓住工藝臺階，螺栓把緊（注意力矩不宜過大，壓緊力要均勻）。利用此夾具加工型面，型面加工過程中，注意調整工藝參數，保證機床轉速及刀具角度，型面加工完成后更換夾具。型面加工成型后，我們的零件已經接近成品，此時型面最薄的位置厚度為1.5mm，在加工鉸制孔的過程中，我們同樣采用此夾具，加工前找正夾具端面跳動≯0.015，鏜孔過程控制進刀量，可以連同夾具一同鏜削加工。然后加工內孔及外徑，我們此時利用加工中心已經加工的孔位進行零件的裝夾。最后只剩兩側端面需要加工，而鈦合金無法利用磁力吸盤完成，所以我們設計了新的夾具，同樣機床卡盤夾緊夾具，夾具端面定位，內孔采用錐度配合，螺栓拉緊，保證零件處于自由狀態加工兩側端面。

3 工藝路線設計

針對鈦合金及薄壁件的特點，我們制定了詳盡的工藝路線，粗車→超聲波探傷→半精車→消除應力→半精車→消除應力→數控車（9 工步）→消除應力→數控車（6 工步）→消除應力→數控車→加工中心→車工→鉗工→探傷→檢驗。

從工序中我們可看出來，工序細分為粗加工，半精加工及精加工等，尤其在切削量大的數控車工序，將此工序細化為多個工步，穩定機床溫度，增加工序以減少切削余量帶來的變形。

工序之間加入消除應力處理，控制熱處理溫度，消除應力過程中同樣需要工裝，保證零件在釋放內應力的過程中狀態平穩；

減小切削用量，充分澆注切削液，提高了潤滑性，減少了切削產生的熱量，降低了溫度，從而減小了工件變形，保證了加工精度。

刀具方面采用鈦合金專用硬質合金刀塊，加工參數選擇：刀具前角：r=10°-20°,刀具后角：a=8°-14°，偏角盡量減小，減小軸向分力，切削速度v=60-90m/min，走刀量：s=0.15-0.2，切削深度：t≤0.4，刀尖圓弧R=0.2-0.6。

加工中翻轉零件重新裝夾時，要注意檢查夾具端面與止口跳動，如不符合加工需求，則必須先精加工夾具，保證夾具的精度。

4 生產加工及檢驗驗證

夾具及工藝全部準備完整齊全后，我們邀請了研究所的專家及工藝工程師對零件進行了工藝評審，會議上專家及工藝工程師對夾具的設計及工藝路線的編制給予了高度評價及肯定，一致認為可以滿足此異型薄壁零件的加工需求。

首批產品試制我們投產了3 件毛坯，利用此工裝及加工工藝，歷時3 個月完成了首件的試制。經檢測所有參數均符合圖樣要求，附型面檢測記錄。

該零件的設計單位應邀參與了首件鑒定會，對零件的質量十分滿意。并簽訂了后續的生產任務，附交付產品圖。

在機械行業我們與國外的工藝水平還存在很大的差距，但是我們相信通過自己的努力和不斷的探索，會逐步拉近彼此的距離，讓我們傳統的機械行業邁上新的臺階。

5 結論

通過此次工藝工裝設計和完整的工藝路線設計，解決了該種異型零件的加工難點問題，合格品率達了98%以上，該項異型零件的加工，以及延伸的該系列產品，成功的填補了國內的市場空白，搶占了進口市場的份額，為機械行業該零件的國產化作出了突出貢獻。