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钛合金精密加工工艺论文

1.零件结构特点

TB6钛合金不仅是制造飞机、导弹和火箭等航天器的重要结构材料,而且在惯性导航领域中也逐步开始使用。但由于该材料价格昂贵、难加工以及加工费用高,制约了它的应用。目前我们所承接的导航部件,军方为了提升其强度和寿命,决定淘汰传统的结构钢30CrNi4MoA,使用TB6钛合金材料,这就意味着原来的加工工艺要推倒重来,重新研究TB6钛合金的加工工艺方法。我们对TB6钛合金材料的性能、加工工艺方法及刀具选用等进行了探索和研究,通过各种试验,积累了许多TB6钛合金加工的经验,特别是切削加工用量及刀具的选择,在加工研制过程中得到了验证。本文重点对TB6钛合金精密加工和刀具选用方面的工艺创新作一次全面的阐述,也为今后进一步开展其他钛合金切削加工的研究提供参考与借鉴。TB6钛合金轴向铰轴颈零件如附图所示,其外型复杂,技术要求高,加工难度大。

2.TB6钛合金材料特性分析

钛合金是一种强度高而密度小、机械性能好且韧性和抗蚀性能也很好的不锈钢材料。TB6不锈钢材料加工工艺性差,切削加工困难,特别是在热加工中,非常容易吸收氢、氧、氮和碳等杂质。其加工工艺性主要表现在:(1)摩擦系数大。该材料导热系数低,刀尖切削温度高,切削时产生的切削热都集中在刀尖上,使刀尖温度很高,易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。(2)弹性模量小。切削时易产生弹性变形和振动,不仅影响零件的尺寸精度和表面质量,而且还影响刀具的使用寿命。(3)钛合金化学亲和力较强,极易与其他金属亲和结合,在加工中切屑与刀具的粘结现象严重,使刀具的粘结和扩散磨损加大。

3.精加工工艺试验

(1)工艺方法。考虑到该钛合金零件的加工余量比较大,有的部位很薄,只有2~3mm,主要配合表面的尺寸精度、形位公差要求高,在零件的加工工艺方法及工艺流程安排时,按粗加工→半精加工→精加工的顺序分阶段安排加工,同时在每个工序阶段安排热处理工艺,消除加工应力,稳定加工尺寸。这种工艺方法特点主要是通过分阶段的反复加工,减少表面残余应力,防止变形,最后达到设计图样的要求。其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻削、铰削以及攻螺纹等。(2)铣削加工及刀具试验方案。钛合金轴向铰轴颈零件加工中,有大量的铣削余量,为了做好铣削加工,我们做了一些试验,特别是在刀具和切削液的选择方面:①刀具材质选择了高硬度、高抗弯强度、韧性和耐磨性好且散热性好的高速W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬质合金YG8、K30、Y330。②铣削时采用水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度,以延长刀具的使用寿命。为了提高铣削加工效率,在加工中心机床上进行了高效铣削试验,结果效率提升了2~3倍,零件表面质量也得到较大的提高。表1、表2所示分别为通过试验总结的切削用量和刀具参数。(3)孔的精车加工及刀具试验方案。钛合金轴向铰轴颈零件加工中,由于热处理后的表面氧化皮给工艺加工增加了较大困难,为此在加工前用酸洗方法去掉表面薄层氧化皮,然后通过加大走刀量,降低切削速度来车削剩余的氧化皮。在刀具材质的选择、切削用量和切削液的选择方面:①刀具材质选用YG类硬质合金材料。②刀具的几何参数选择前角γ0=4°~8°,后角α0=12°~18°,主偏角j=45°~75°,刃倾角λ=0°,刀尖圆弧半径=0.5~1.5mm。③切削用量按主轴转速n≥230r/min,进给量f≥0.10~0.15mm/r。在同样刀具和切削参数的情况下,选择不同切削液进行切削试验,检查表面粗糙度情况;选定切削液后,使用乳化液冷却,提高了刀具寿度。固定切削参数,选择不同刀具材料进行切削试验,检查表面粗糙度和尺寸控制情况,确定刀具牌号为YG6X、YG10HT;切削液和刀具固定后,选择不同切削参数,对尺寸控制能力进行研究和对目标表面粗糙度实现能力进行验证。(4)内螺纹加工试验方案。由于内螺纹不便在放大镜下观察,也不便进行尺寸精确测量,选择外螺纹进行替代试车观察表面粗糙度,选好参数后进行内螺纹试车验证,并用粗糙度仪检测验证;选择内螺纹车削加工工艺参数试验,验证上述试验确定的切削液工艺要素和刀具材料要素的适应性,螺纹车削的切削接触刃长,功率需求大,切削参数要进行单独的试验验证。(5)孔的磨削加工试验方案。磨削加工阶段,由于TB6钛合金的特质,导致了钛合金磨削非常困难,磨削时砂轮磨损严重,轻易会变钝,同时易在表面产生拉应力及烧伤现象。为此在磨削过程中,通过使用切削液和润滑油,使零件充分冷却,保证了精磨质量。磨削砂轮的材料选用绿碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)两种磨料,选择软砂轮R3、ZR1和ZR2,粒度为46、60。磨削用量的选择如表3所示。(6)铰削加工试验方案。钛合金的钻削加工也比较困难,常在加工过程中出现烧刀和断钻现象,其主要原因是钻头刃磨不良、排屑不及时、冷却不佳以及工艺系统刚性差等。铰孔是最后一道精加工工序,采用钻孔→扩孔(粗铰)→精铰的加工工艺方法。在刀具和切削液的选择方面:①刀具材料选用M42高速钢或硬质合金K30;刀具的几何参数选择前角γ0=3°~7°,后角α0=12°~18°,主偏角j=5°~18°。校准部分刃带宽度b=0.05~0.15mm,过宽会轻易同钛合金加工表面粘结,过窄会轻易在铰削时产生振动。铰刀齿数为z=4(铰刀直径为12mm)。②铰削时应不断地注入冷却润滑液以获得较好的表面质量,同时应勤排屑,及时清除铰刀刃上的切屑末,铰削时要匀速地进退刀。通过上述几个步骤的试验分析,得出TB6钛合金的各种加工工艺特点,以此为基础,形成TB6钛合金切削工艺方法,并将关键技术点总结出来,拟定了TB6轴向铰轴颈加工的工艺方案。

4.结语

按照我们确定的加工工艺方案进行产品批量加工,达到了轴向铰轴颈的各项精度技术指标,经检测后一次性合格。验证了我们对加工技术难点分析的正确性,说明这种TB6钛合金切削工艺方法是可行的,也积累了经验,开拓了思路。随着科技的高速发展,材料的不断更新,我们需要对新型的惯性导航材料的切削机理、刀具磨损、切削液的选择等状况进行进一步的研究,也需要对切削过程不断进行优化。可以预计,超硬刀具和硬质合金刀具的发展也将在航空、惯性导航等的加工领域中占有很大的一席之地,必将为制造业的发展起到积极的推动作用。

作者:关福州 刘智 单位:中国船舶工业集团公司第六三五四研究所


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