鈦合金薄壁機(jī)匣安裝邊零件切削工藝改進(jìn)

黃承志

貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司 貴州貴陽 550081

1 序言

由于鈦合金具有無磁性、耐蝕性好、熱強(qiáng)度高和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此鈦合金薄壁零件具有空間占比較小、質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天及船舶等多個(gè)領(lǐng)域[1]。而TA15鈦合金是典型的難加工材料，其彈性模量小，導(dǎo)熱性差。因薄壁件切削加工的變形受工件結(jié)構(gòu)及材料、工裝夾具、切削參數(shù)及其他因素的影響，故TA15薄壁件的切削加工較為困難。

2 TA15鈦合金化學(xué)成分及性能

TA15鈦合金切削加工的難度主要由材料本身的化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能所決定。其化學(xué)成分[2]見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 TA15鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 TA15鈦合金力學(xué)性能

3 影響薄壁件變形的因素及解決措施

（1）工件的結(jié)構(gòu)及材料特性 航空、航天及船舶領(lǐng)域存在大量的薄壁環(huán)形件，不同結(jié)構(gòu)工件的強(qiáng)度、剛度存在著差異。材料和力學(xué)性能不同，切削加工就會(huì)有很大差異[3]。

（2）工裝夾具 工裝夾具對(duì)薄壁件的變形影響很大。零件若受夾緊力不均勻，則形位會(huì)發(fā)生變化，從而影響加工精度。裝夾變形的預(yù)防措施包括：①將徑向夾緊方式改為軸向夾緊方式，避免松開零件后產(chǎn)生較大的變形。②增加端面壓緊點(diǎn)數(shù)量，使零件在機(jī)械加工過程中受力均勻，減小裝夾變形。

（3）切削參數(shù) 根據(jù)零件特性選擇合適的刀具和切削參數(shù)。可以采用高速切削技術(shù)來降低加工時(shí)的切削力，以減小加工變形。選擇較小的吃刀量，以減小振動(dòng)，從而保證加工精度[4]。

（4）其他影響因素 主要是零件受熱變形。選擇合理的切削液，可以有效地降低切削過程中刀具及零件摩擦產(chǎn)生的熱量，減小熱變形量，提高加工精度。

4 薄壁機(jī)匣安裝邊零件結(jié)構(gòu)

薄壁機(jī)匣安裝邊零件如圖1所示，零件尺寸如圖2所示。該零件為大直徑薄壁零件，主要由薄壁直筒、兩個(gè)外徑法蘭、兩個(gè)外徑凹槽及圓倒角組成，零件材料為TA15鈦合金，尺寸公差和表面粗糙度要求都比較嚴(yán)格，加工難度較大。

圖1 薄壁機(jī)匣安裝邊零件

圖2 零件尺寸

5 加工難點(diǎn)分析

根據(jù)零件的尺寸要求，內(nèi)徑φ（895.42±0.05）mm、外徑凹槽φ（902.25±0.05）mm、外徑凹槽高度（35.04±0.03）mm、最小壁厚（2.78±0.08）mm、高度尺寸（75.91±0.05）mm以及部分表面要求表面粗糙度值Ra≤1.6μm等均是該零件的加工難點(diǎn)。因該零件直徑大，為φ956.05mm；最小尺寸公差為±0.03mm，最薄壁厚為2.78mm；部分表面要求表面粗糙度值Ra≤1.6μm，故該零件的切削加工極其困難。

6 工藝方案

通過對(duì)零件結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)的分析，制定出加工工藝方案見表3。

表3 加工工藝方案

7 方案的實(shí)施

（1）刀具的選擇 鑒于鈦合金熱導(dǎo)率差、比熱容高、易產(chǎn)生積屑瘤、彈性模量低以及回彈性大的加工特點(diǎn)，應(yīng)盡量選擇切削力小、耐磨性好的刀具。粗車時(shí)選用抗沖擊性較好的Y G8硬質(zhì)合金刀具，半精車和精車時(shí)選用CNMG120408MS和CNMG120404MS涂層硬質(zhì)合金刀片。為了改善散熱條件，增強(qiáng)刀具壽命和提高生產(chǎn)效率，TA15鈦合金粗加工優(yōu)選負(fù)前角刀片，精車選用正前角刀片[5]。

（2）工裝夾具設(shè)計(jì) 工件加工時(shí)，因直徑較大、壁厚較薄，不能用徑向夾緊，宜采用軸向夾緊的工裝夾具，以減小裝夾產(chǎn)生的變形。工裝夾具1、夾具2分別如圖3、圖4所示。

圖3 工裝夾具1

圖4 工裝夾具2

（續(xù)）

（3）切削參數(shù) 根據(jù)零件材料、尺寸精度和表面粗糙度要求，結(jié)合刀具手冊(cè)上推薦的切削數(shù)值，確定了刀具的切削參數(shù)見表4。

8 生產(chǎn)結(jié)果驗(yàn)證

通過對(duì)TA15鈦合金薄壁件的加工工藝研究，在生產(chǎn)驗(yàn)證中合理安排工藝路線，設(shè)計(jì)合理的工裝夾具，選用合適的刀具和切削參數(shù)，粗車時(shí)優(yōu)選低速、中速切削，較大進(jìn)給量和較大吃刀量；半精車和精車時(shí)優(yōu)選高速切削、較小進(jìn)給量和較小吃刀量，可以有效地保證薄壁件的加工精度。薄壁件關(guān)鍵尺寸檢驗(yàn)記錄見表5。

表5 薄壁件關(guān)鍵尺寸檢驗(yàn)記錄 （單位：mm）

9 結(jié)束語

鈦合金薄壁件的切削加工是公認(rèn)的難題，加工過程中主要是防止薄壁件發(fā)生變形而影響加工精度。本文以TA15鈦合金薄壁機(jī)匣安裝邊零件加工為例，基于零件的材料特性、結(jié)構(gòu)特征和加工要求進(jìn)行工藝分析，對(duì)影響變形的因素提前采取預(yù)防及解決措施，通過制定合理的加工工藝路線，設(shè)計(jì)合適的工裝夾具，選用科學(xué)的走刀路徑、合適的刀具和切削參數(shù)，及時(shí)處理好零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力問題，可以有效地減少薄壁件的變形，保證零件的加工精度。

如何控制變形是薄壁件加工的主要難點(diǎn)。該文以TA15機(jī)匣安裝邊零件為例，基于零件的材料特性、結(jié)構(gòu)特征和加工難點(diǎn)進(jìn)行工藝分析，制定出詳細(xì)的切削加工方案，對(duì)影響變形的因素提前采取預(yù)防及解決措施，通過生產(chǎn)驗(yàn)證，有效降低了薄壁件加工變形。

對(duì)薄壁件加工方案細(xì)致入微的描寫是文章的一大特色。切削工藝過程的設(shè)計(jì)詳盡而全面，細(xì)化到每一個(gè)加工步驟，附帶零件工步圖和工裝裝配圖。在刀具選擇和切削參數(shù)、工裝設(shè)計(jì)方面也考慮得比較周全，為類似產(chǎn)品的切削加工提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

專家點(diǎn)評(píng)