星載復雜結構鈦合金薄壁件超聲振動切削研究

王貴林，李林才，朱俊輝，王致遠

（湖南航天環宇通信科技股份有限公司，湖南 長沙 410205）

1 引言

航天器結構單元具有比強度大、精確度高、穩定性好等性能，以節約發射成本、降低飛行慣性、滿足太空環境工作要求。為了實現輕量化設計、滿足高可靠性要求，采用復雜結構鈦合金薄壁件作為承載、連接和定位元件是一種可行選擇[1]。

鈦合金具有比強度、熱強度、抗斷裂性高和耐腐蝕性好等優良特性，在航空航天領域得到了廣泛應用。如航天器在軌期間實現大角度機動、精確姿態調控的某型單框架控制力矩陀螺采用鈦合金作為薄壁座筒材料，包括內螺紋、內腔圓環、鍵槽、腰孔、凸臺等多種幾何構型的復雜結構，外壁直徑為150mm，不同軸向位置處的單邊壁厚在（3～5）mm之間，如圖1所示。

圖1 鈦合金薄壁座筒的剖面結構Fig.1 Section Structure of Titanium Alloy Thin-walled Cylinder

鈦合金雖然具有優異的力學性能，但是高精度加工的難度很大，國內外學者對鈦合金薄壁件切削過程中的材料去除機理、刀具磨損和加工變形開展了廣泛研究[2]。為了實現精密加工，要求刀具刃口很鋒利，而鈦合金的化學活性高，切削時無論選用硬質合金刀具還是PCD、金剛石刀具都會快速磨損，導致加工精度達不到要求[3]，還需防止扎刀、燒傷和擠壓變形等產生的損傷[4]。

針對具有復雜幾何結構的星載鈦合金薄壁件，通過分析精密切削條件下的熱力學特性和刀具磨損，研究超聲振動加工對應的應力分布，控制切削力、刀-屑粘結和加工變形，實現高效高精度加工。

2 鈦合金薄壁件切削特性研究

鈦合金薄壁件具有嚴格的尺寸、形狀和位置精度要求，為航天器結構單元提供滿足精確空間關系的方位基準[5]。對于圖1所示的鈦合金薄壁座筒，要求直徑方向的尺寸精度為8μm，圓度誤差≤4μm，加工表面粗糙度為Ra0.8。由于導熱系數小、局部剛度低，切削熱和變形會導致鈦合金薄壁件的加工精度受到影響，需要對其切削特性進行定量研究。

2.1 切削溫度影響

采用Nanotech超精密車床切削鈦合金薄壁件，見圖2（a）所示。加工時熱量主要集中在切屑與刀具之間窄小的作用面上，約80%的熱量傳給了刀具，切削區理論溫度T可以表示為：

式中：K—與切削狀態相關的系數；v—切削速度；f—進給速度；

ap—切削深度；K=85～235、γ=0.46～0.82、χ=0.23～0.27。

依據切削參數的計算結果，加工區溫度在200℃以上。由于熱量主要聚集在加工區，易產生粘刀現象，并且隨著切削溫度的升高粘刀現象更為明顯。采用Talyrond 565 圓柱度儀對鈦合金薄壁座筒加工后的內孔圓柱度進行檢測，如圖2（b）所示。對應的檢測形貌，發現沿圓周方向具有明顯的微觀起伏，如圖3 所示。測試結果，如圖4所示。圓度誤差為13.93μm，不滿足指標要求，需要對切削溫度進行控制。

圖2 鈦合金薄壁座筒精密加工與內孔圓度檢測Fig.2 Precision Machining and Roundness Testing of Inner Hole

圖3 鈦合金薄壁座筒切削后的內孔形貌Fig.3 Inner Hole Morphology after Cutting

圖4 鈦合金薄壁座筒內孔圓度測試結果Fig.4 Roundness Testing Result of Inner Hole

2.2 刀具磨損分析

鈦合金加工時，刀具與工件發生著強烈的摩擦接觸作用。由于粘結、擴散、氧化等行為，刀具刃口變鈍，與已加工區的接觸面不斷增大，又反過來加劇摩擦，降低了加工精度。

根據切削速度v、溫度T和應力σ，刀具磨損速率為：

式中：P、Q—與切削條件和刀具材料相關的系數。

在圖3 中，可以看出內孔切削的起始端（圖中下方）直徑較大，由于刀具磨損，越往里加工直徑就越小。薄壁座筒內徑的尺寸公差為8μm，刀具磨損后將難以滿足精度要求。

根據測試結果，在主軸轉速為150r/min、背吃刀量為10μm時，切削3000m后金剛石刀尖磨損量約為4μm（對應圓度誤差為8μm），已經無法滿足鈦合金薄壁座筒的尺寸精度要求。

2.3 加工精度改進措施

2.3.1 裝夾變形控制

鈦合金彈性模量不高，如果裝夾方式設計不合理，薄壁件從夾具上取下時極易產生回彈變形，因此需要研究裝夾力對工件形狀的影響。為了控制裝夾變形，采用真空吸盤和轉接筒對鈦合金薄壁件進行固接，選擇軸向、對稱、均衡的連接方式，實現裝夾力在定位面內的均勻可控分布。采用超精密機床現場切削方式，將鈦合金薄壁件和轉接筒端面的平面度、平行度誤差控制在0.3μm以內，滿足裝夾精度要求。

2.3.2 在線補償切削

由于刀具磨損，隨著軸向切削距離增加將會出現內孔直徑變小的現象。實際加工中通過測量上道刀痕沿進給方向的尺寸變化，采用在線補償方式對殘留余量大的位置增加進刀深度、殘留余量小的位置減少進刀深度，從而控制刀具磨損對形狀精度的影響。采用在線補償方式對鈦合金薄壁座筒進行切削后的內孔輪廓，如圖5所示。圓度誤差為4.49μm，相比圖4的檢測結果大幅改善；但部分區域存在推擠現象，主要由鍵槽等不連續輪廓引起，影響了形狀精度和穩定性。

圖5 鈦合金薄壁座筒補償加工后的內孔圓度Fig.5 Inner Hole Roundness after Compensation Machining

2.3.3 切削方式改進

切削加工中，鈦合金與刀具的微觀粘結會導致工件、切屑之間產生剪切滑移。由于粘結層是塑性變形后的組織，晶格嚴重畸變，引起的熱塑性變形、相變會產生殘余應力。雖然加工后滿足精度要求，但隨著內應力的緩慢釋放，應力平衡狀態破壞后會使工件發生變形[6]。

此外，鈦合金薄壁件不連續結構可能產生非對稱加工變形，并對鄰近區域的輪廓進行推擠，粗糙度和顯微硬度迅速增加，表面殘余應力變成拉應力，嚴重影響穩定性和壽命。為了克服上述缺陷，采用超聲振動切削方法對鈦合金薄壁件不連續表面進行加工，分析切削力和溫度對工藝系統的影響，在弱剛度、非對稱結構條件下改善加工表面質量，實現低應力、高精度加工。

3 超聲振動切削應力和變形分析

鈦合金的彈性模量為中等（TC4為110GPa），具有復雜結構的薄壁件在切削力、裝夾力、切削熱作用下容易產生變形，作用力釋放后又會回彈，影響精度和性能，需要對其加工應力、熱應力和切削變形進行仿真分析，滿足指標要求。

根據真空吸盤的作用區域，星載鈦合金薄壁座筒的軸向裝夾力為587N。采用橢圓形超聲振動切削方式，在設定工藝條件下切削力≤1N、充分潤滑時切削區溫升≤15℃。鈦合金薄壁座筒在重力、裝夾力、加工力作用下的應力仿真，如圖6（a）所示；切削溫度場引起的應力分布，如圖6（b）所示；工件的切削變形，如圖6（c）所示。根據圖6的仿真結果，橢圓形超聲振動切削條件下星載鈦合金薄壁座筒單位面積的加工應力、熱應力分別為0.5MPa和29.4MPa，遠低于屈服強度1100MPa；切削變形量為0.9μm，遠小于4μm，滿足強度、剛度和長期穩定性要求。

圖6 鈦合金薄壁座筒的熱力學仿真結果Fig.6 Thermodynamic Simulation Results

4 超聲振動切削實驗

為了減小鈦合金薄壁件加工中的刀具磨損和微觀推擠，實驗中采用超聲振動車削方式來提高加工精度、控制表面質量。

橢圓形超聲振動加工中，金剛石刀具在兩個坐標系內做橢圓形高頻運動，能夠同時實現前刀面與切屑、后刀面與已加工面的分離，切削過程表現為微觀斷續、宏觀連續，刀具和工件材料的親和、粘結作用顯著減弱，積屑瘤無法生成，切削力明顯下降，加工過程穩定，精度和表面質量高。采用Son-X驅動器帶動金剛石刀具做橢圓形超聲振動切削鈦合金薄壁座筒，超聲振幅為5μm、頻率為20kHz，進給速度為10μm/r，切削速度為25m/min，加工過程，如圖7所示。

圖7 鈦合金薄壁座筒超聲振動切削Fig.7 Ultrasound Vibration Cutting Scene

測量結果，如圖8所示。鈦合金薄壁座筒超聲振動切削后的內孔圓度誤差為2.83μm，形狀精度大幅提高。

圖8 鈦合金薄壁座筒超聲振動切削后的內孔圓度Fig.8 Roundness after Ultrasound Vibration Cutting

超聲振動切削過程中，為了保證鈦合金薄壁件加工變形小、使用壽命長，精加工之前需要進行消應力退火，以稍高于再結晶溫度、保溫一定時間的熱處理工藝來獲得穩定性良好的組織，滿足長期穩定性要求。

5 結論

航天器結構單元采用復雜結構鈦合金薄壁件作為承載、連接、定位元件能滿足輕量化和高可靠性要求，但加工過程中的刀-屑粘結、刀具磨損和工件變形，難以實現高精度切削。

基于切削特性研究，通過對加工應力、熱應力和變形進行仿真分析，采用橢圓形超聲振動金剛石車削，實現了直徑150mm、壁厚（3～5）mm鈦合金薄壁件的低應力高精度加工，測試結果表明直徑方向的尺寸精度為5μm、圓度誤差為2.83μm、表面粗糙度為Ra 0.2，并且殘余應力小、長期穩定性好，滿足太空環境下的使用要求。