钛合金零件加工工艺方法探讨

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摘要：钛合金零件加工难度较大，容易出现加工变形等问题。以薄壁零件为例，本文在分析零件加工问题基础上，从刀具选择、工艺参数确定等方面提出了工艺改进方法，使零件加工合格率提高至90%，促使零件加工效率和质量得到了提升。

关键词：钛合金；薄壁零件；切削工艺

钛合金作为性能优异的材料，在数控加工中得到了广泛应用。但钛合金零件加工也具有一定难度，容易因变形问题的产生造成零件加工质量无法达到要求。因此，还应加强钛合金零件加工工艺方法研究，从而进一步推动钛合金零件的大规模发展。

1钛合金零件加工难点

钛合金零件加工拥有一定难度，在切削加工前期将遭遇壳体性工件加工刀具消耗过快的问题，出现刀片材料磨损大、零件表面光洁度不达要求等情况，与钛合金材料组织复杂、亲和力大等因素有关。在实际加工过程中，由于晶格原子不容易脱离原本平衡位置，将造成切削温度迅速升高，从而引起刀具磨损。而钛合金导热系数较小，散热不佳，切削期间作业区域将实现温度聚集，引起刀具崩坏，影响零件表面质量[1]。受走刀量、切削深度、速度等因素影响，零件加工期间遭遇机床振动将发生变形。薄壁零件刚性低，受切削应力影响，整体精度将受到影响。此外，钛合金拥有较高化学活性，与气体杂质发生化学反应将导致材料中加入O、N等元素，或引发晶格弯曲，造成材料塑性下降，或形成表面硬层，给刀具带来损伤。因此采用钛合金加工精密构件，受加工工艺影响，难以达到尺寸精度、形位公差等方面的要求。

2钛合金零件加工工艺方法

2.1产品加工技术要求。某钛合金零件属于薄壁筒体，采用TitaniumCP2材料加工，薄壁位置壁厚达0.25mm，公差为0.025mm。零件外圆直径为准20mm，内圆直径为准17mm，口部5mm位置要求达到0.025mm内孔公差。按照零件加工要求，应达到较高零件配合精度，以便使相应附件贴合使用，需达到0.02mm平面度要求。2.2原有工艺加工问题。按照原有工艺，需要采用常规车削加工方法，在将毛坯底部夹紧后，将卡盘伸出约20mm，先对外轮廓进行粗、精加工，然后对内轮廓进行粗、精加工。采用传统车削工艺，容易导致加工出的零件出现外圆同轴度与内孔超差问题，并且内孔圆度较差，存在孔口不平整和出口毛刺严重等情况，缺陷明显。分析问题产生原因可以发现，机床主轴存在振动，并且钻头存在微小偏摆，导致其磨损将在零件上映射。受这一因素的影响，完成零件加工后需要采用人工方式进行毛刺的修整，导致零件加工效率较低，难度较大，容易出现孔口划伤问题，造成零件加工合格率较低。作为薄壁零件，该零件内径、底部壁厚需要达到较高加工要求。定位夹装过程中，受径向作用力影响，零件可能出现夹紧变形，加工后恢复弹性变形将导致尺寸误差产生，造成零件报废。2.3加工工艺方法优化。针对零件加工问题，结合钛合金零件加工难点，还要对原本车削加工工艺进行改进，从刀具选择、切削参数确定、冷却液选择和变形控制四个方面提出相应措施，使零件加工问题得到解决。2.3.1加工刀具选择。在刀具选择上，常规车削工艺多采用W18Cr4v刀具，其在不超过400°的条件下可以正常工作。在薄壁钛合金零件加工过程中，采用该类刀具由于热导率较低，切削加工热在刀尖聚集，导致刀具局部温升过快，磨损严重，造成刀面与加工表面产生强烈摩擦，影响了零件加工表面质量。针对这一情况，还应重新进行刀具材料选择。针对钛合金材料，可以选择YT类硬质合金刀片，但是车削钛合金车刀与切屑频繁接触，刀具接触面单位切削力较大，为避免硬质合金刀片崩坏，还应选择高钴高速钢刀具[2]。在实际加工过程中，考虑到该类刀具价格较高，还要完成集中刀具材料对比，最终选择硬质合金GC1115，PVD涂层刀片，其价格相对较低，并且因为加入少量稀有元素得到了耐磨性的提升。在零件加工过程中，粗、精加工都会受到刀具几何角度的影响。因此除了选择刀具材料，还要做好几何角度选择。针对钛合金，车刀后角相对敏感，在切削层金属弹性拥有较大硬度和恢复的情况下，需要对大后角进行运用，以便使刃口能够轻松切入金属层，使刀具磨损得到减小。但后脚超过15°，容易造成金属粘附，因此还应采用15°后角。选取这一数值，能够增强刀刃的锋利性，从而使切削温度得到降低。早刀尖圆角选择时，结合刀具厂家推荐值，可以选择5-8°前角和15-18°后角。2.3.2加工参数的确定。作为薄壁钛合金零件，在加工期间一直将释放应力。在毛坯材料受热的情况下，薄壁零件加工各工序都会产生残余应力，导致零件发生变形。想要实现残余应力的控制，还要对零件受热和机械力因素展开综合分析，采用有限元分析软件完成数值分析，确定零件变形影响，从而通过科学确定切削参数提高零件加工质量。按照这一思路，可以实现切削参数的合理选择，使机械加工保持较低切削速度，控制在30-50m/min范围内。在粗加工阶段，还应完成较大进给量的选取，精加工需要完成适合进给量的设置。具体来讲，可以将平端面进给量控制在0.15-0.20mm/转范围内，粗车外圆在0.20-0.30mm/转之间，精车外圆在0.05-0.10mm/转之间，钻孔进给量应在0.03-0.05mm/转范围内。在车削深度选择上，考虑到钛合金材料具有较强亲和力，还应达到1/3d，以便因切削深度过大造成刀具烧断。在实践操作中，还应做好精加工量的控制，考虑到零件表面可能形成0.1-0.15mm硬化层，为避免刀具磨损还应加强切削余量控制。具体来讲，就是将平端面、粗车外圆、精车外圆、钻孔切削深度分别控制在0.7-0.9mm、1.2-1.5mm、0.1-1.5mm和0.25-0.35mm范围内。2.3.3冷却液选择。钛合金零件在车削期间，会出现切削温度不断提升的问题，导致刀具使用寿命受到影响。吊切削温度进行降低，能够使切削抗力得到降低，从而使刀具磨损得到减少。针对钛合金薄壁零件加工温度集中的问题，还要做好冷却液的选择，以便使零件加工效率和质量得到提升。实际在选择切削液时，还要结合刀具使用情况和工艺安排完成合理选择。根据薄壁钛合金零件加工特点，还应避免采用含氯冷却液，以免造成零件发生氢脆和产生有毒物质，同时避免因高温应力的产生导致零件出现腐蚀开裂问题[3]。实际生产中，可以选用嘉实多等冷却液，属于高性能、高极压特性的水溶性切削液，能够在各种金属材料的苛刻加工中得到应用，产生的机床表面污渍沉积容易被清除。零件加工期间，还要提供充足冷却液，使其保持较快循环速度，增大压力和切削液流量，确保冷却液的降温作用能够有效发挥。2.3.4切削变形控制。在变形控制方面，零件粗加工后直接采用精加工方式，将导致加工余量过大，无法完全释放应力，在走刀量较快时将产生大的径向切削力，引起零件变形。针对这一问题，还要增设半精加工环节，在粗加工后先进行半精加工，最后进行精加工。在精加工过程中，还应加强切削速度控制，以免出现切削振动问题。在精加工后，考虑到流程加工应力难以全部消除，还应实现热处理，使零件加工变形得到最大程度避免。在坯料粗加工之前，也可以进行零件热处理，以便使零件机械性能得到保证，同时使热处理带来的变形得到减少。由于零件加工变形与夹具存在一定关系，还要结合薄壁钛合金零件强度低的选择进行夹具选择。针对底部等壁较薄的位置，还应选择三爪卡盘，以便使受力点数量和零件与夹具接触面积得到减小。在卡盘夹紧力较大时，容易导致薄壁零件发生变形。针对这一情况，可以采用开缝套筒适当增加接触面积，以便使夹紧力能够在工件上均匀布置，使零件变形问题得到改善。2.4优化内容及效果分析。从工艺优化内容上来看，针对薄壁钛合金零件车削加工问题，主要通过选择适合工具、改进工艺流程与参数、使用冷却液三种途径提高零件加工质量和效率。首先，针对薄壁零件加工容易出现应力集中情况的问题，通过选择适合夹具、刀具等工具改进零件加工效果。在零件数控加工期间，薄壁零件强度较低，夹紧力大小将关系到零件是否会发生变形。选择适合夹具，能够在强度大的位置施加夹紧力或使零件夹紧力得到均匀分布，从而使零件加工精度得到提高。而刀具材料和角度的合理选择，可以使刀具保持轻快切削。在精车期间，适当增大前角，能够使刀刃圆弧半径减少，使刃口保持锋利，继而通过减小切削热和切削力防止零件发生变形。其次，采用粗、半精和精加工的工艺流程，能够使零件加工残余应力得到进一步释放。对切削深度、进给量等加工参数进行合理选择，能够加强车削加工对零件影响量控制，使零件加工精度得到保证。最后，针对钛合金零件温度应力较高问题，加强冷却液的使用能够降低车削温度，使由温度引起的零件变形得到减少[4]。按照改进工艺完成数控加工编程，对薄壁零件进行加工可以发现，由于零件加工精度得到了提高，外圆同轴度与内孔超差问题得到了解决，孔口能够保持平整，零件本身无变形情况发生。比较工艺改进前后零件加工效果可以发现，工艺改进前零件加工合格率仅达70%，需要依靠人工方式进行毛刺处理，加工效率较低；工艺改进后零件加工合格率提高至90%，能够一次性加工成型，因此能够使零件加工质量和效率得到了提高，为零件加工带来可观效益。

3结论

综上所述，针对钛合金零件进行加工，还要结合零件加工难度采取措施对传统车削工艺流程进行改进，通过合理选择刀具材料、角度、冷却液和实现工艺参数调整提高零件加工质量和效率，从而推动车削加工技术的发展。

参考文献：

[1]卞伟宇，王巍.典型钛合金梁零件加工工艺改进[J].工具技术，2019（04）：124-125.

[2]孙攀攀，王勃，谢新春，等.大悬臂钛合金零件加工变形控制方法[J].新技术新工艺，2018（11）：57-61.

[3]石含关.弱刚性钛合金薄片零件加工工艺研究[J].机械研究与应用，2018，31（05）：158-160.

[4]王义嘉.薄壁钛合金零件尺寸稳定化热处理研究[J].内燃机与配件，2018（13）：155-156.

作者:姜俊伯 吴锐 单位:中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司制造工程部