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        TB6鈦合金精密加工工藝

        2015-12-02 01:36:56中國船舶工業(yè)集團公司第六三五四研究所江西九江332000關福州
        金屬加工(冷加工) 2015年22期
        關鍵詞:工藝

        ■中國船舶工業(yè)集團公司第六三五四研究所(江西九江 332000)關福州 劉 智

        TB6鈦合金不僅是制造飛機、導彈和火箭等航天器的重要結構材料,而且在慣性導航領域中也逐步開始使用。但由于該材料價格昂貴、難加工以及加工費用高,制約了它的應用。目前我們所承接的導航部件,軍方為了提升其強度和壽命,決定淘汰傳統(tǒng)的結構鋼30CrNi4MoA,使用TB6鈦合金材料,這就意味著原來的加工工藝要推倒重來,重新研究TB6鈦合金的加工工藝方法。我們對TB6鈦合金材料的性能、加工工藝方法及刀具選用等進行了探索和研究,通過各種試驗,積累了許多TB6鈦合金加工的經驗,特別是切削加工用量及刀具的選擇,在加工研制過程中得到了驗證。本文重點對TB6鈦合金精密加工和刀具選用方面的工藝創(chuàng)新作一次全面的闡述,也為今后進一步開展其他鈦合金切削加工的研究提供參考與借鑒。

        1.零件結構特點

        TB6鈦合金軸向鉸軸頸零件如附圖所示,其外型復雜,技術要求高,加工難度大。

        軸向鉸軸頸零件三維圖

        2.TB6鈦合金材料特性分析

        鈦合金是一種強度高而密度小、機械性能好且韌性和抗蝕性能也很好的不銹鋼材料。

        TB6不銹鋼材料加工工藝性差,切削加工困難,特別是在熱加工中,非常容易吸收氫、氧、氮和碳等雜質。其加工工藝性主要表現在:

        (1)摩擦系數大。該材料導熱系數低,刀尖切削溫度高,切削時產生的切削熱都集中在刀尖上,使刀尖溫度很高,易使刀尖很快熔化或粘結磨損而變鈍。

        (2)彈性模量小。切削時易產生彈性變形和振動,不僅影響零件的尺寸精度和表面質量,而且還影響刀具的使用壽命。

        (3)鈦合金化學親和力較強,極易與其他金屬親和結合,在加工中切屑與刀具的粘結現象嚴重,使刀具的粘結和擴散磨損加大。

        3.精加工工藝試驗

        (1)工藝方法。考慮到該鈦合金零件的加工余量比較大,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,在零件的加工工藝方法及工藝流程安排時,按粗加工→半精加工→精加工的順序分階段安排加工,同時在每個工序階段安排熱處理工藝,消除加工應力,穩(wěn)定加工尺寸。這種工藝方法特點主要是通過分階段的反復加工,減少表面殘余應力,防止變形,最后達到設計圖樣的要求。其主要的加工方法有銑削、車削、磨削、鉆削、鉸削以及攻螺紋等。

        (2)銑削加工及刀具試驗方案。鈦合金軸向鉸軸頸零件加工中,有大量的銑削余量,為了做好銑削加工,我們做了一些試驗,特別是在刀具和切削液的選擇方面:①刀具材質選擇了高硬度、高抗彎強度、韌性和耐磨性好且散熱性好的高速W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬質合金YG8、K30、Y330。②銑削時采用水溶性油質切削液來降低刀具和工件的溫度,以延長刀具的使用壽命。

        為了提高銑削加工效率,在加工中心機床上進行了高效銑削試驗,結果效率提升了2~3倍,零件表面質量也得到較大的提高。表1、表2所示分別為通過試驗總結的切削用量和刀具參數。

        (3)孔的精車加工及刀具試驗方案。鈦合金軸向鉸軸頸零件加工中,由于熱處理后的表面氧化皮給工藝加工增加了較大困難,為此在加工前用酸洗方法去掉表面薄層氧化皮,然后通過加大走刀量,降低切削速度來車削剩余的氧化皮。在刀具材質的選擇、切削用量和切削液的選擇方面:①刀具材質選用YG類硬質合金材料。②刀具的幾何參數選擇前角γ0=4°~8°,后角α0=12°~18°,主偏角φ=45°~75°,刃傾角λ=0°,刀尖圓弧半徑=0.5~1.5mm。③切削用量按主軸轉速n≥230r/min,進給量f≥0.10~0.15mm/r。在同樣刀具和切削參數的情況下,選擇不同切削液進行切削試驗,檢查表面粗糙度情況;選定切削液后,使用乳化液冷卻,提高了刀具壽度。固定切削參數,選擇不同刀具材料進行切削試驗,檢查表面粗糙度和尺寸控制情況,確定刀具牌號為YG6X、YG10HT;切削液和刀具固定后,選擇不同切削參數,對尺寸控制能力進行研究和對目標表面粗糙度實現能力進行驗證。

        (4)內螺紋加工試驗方案。由于內螺紋不便在放大鏡下觀察,也不便進行尺寸精確測量,選擇外螺紋進行替代試車觀察表面粗糙度,選好參數后進行內螺紋試車驗證,并用粗糙度儀檢測驗證;選擇內螺紋車削加工工藝參數試驗,驗證上述試驗確定的切削液工藝要素和刀具材料要素的適應性,螺紋車削的切削接觸刃長,功率需求大,切削參數要進行單獨的試驗驗證。

        (5)孔的磨削加工試驗方案。磨削加工階段,由于TB6鈦合金的特質,導致了鈦合金磨削非常困難,磨削時砂輪磨損嚴重,輕易會變鈍,同時易在表面產生拉應力及燒傷現象。為此在磨削過程中,通過使用切削液和潤滑油,使零件充分冷卻,保證了精磨質量。磨削砂輪的材料選用綠碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)兩種磨料,選擇軟砂輪R3、ZR1和ZR2,粒度為46、60。磨削用量的選擇如表3所示。

        (6)鉸削加工試驗方案。鈦合金的鉆削加工也比較困難,常在加工過程中出現燒刀和斷鉆現象,其主要原因是鉆頭刃磨不良、排屑不及時、冷卻不佳以及工藝系統(tǒng)剛性差等。鉸孔是最后一道精加工工序,采用鉆孔→擴孔(粗鉸)→精鉸的加工工藝方法。在刀具和切削液的選擇方面:①刀具材料選用M42高速鋼或硬質合金K30;刀具的幾何參數選擇前角γ0=3°~7°,后角α0=12°~18°,主偏角φ=5°~18°。校準部分刃帶寬度b=0.05~0.15mm,過寬會輕易同鈦合金加工表面粘結,過窄會輕易在鉸削時產生振動。鉸刀齒數為z=4(鉸刀直徑為12mm)。②鉸削時應不斷地注入冷卻潤滑液以獲得較好的表面質量,同時應勤排屑,及時清除鉸刀刃上的切屑末,鉸削時要勻速地進退刀。

        表1 銑削用量

        表2 銑削刀具參數

        表3 磨削用量

        通過上述幾個步驟的試驗分析,得出TB6鈦合金的各種加工工藝特點,以此為基礎,形成TB6鈦合金切削工藝方法,并將關鍵技術點總結出來,擬定了TB6軸向鉸軸頸加工的工藝方案。

        4.結語

        按照我們確定的加工工藝方案進行產品批量加工,達到了軸向鉸軸頸的各項精度技術指標,經檢測后一次性合格。驗證了我們對加工技術難點分析的正確性,說明這種TB6鈦合金切削工藝方法是可行的,也積累了經驗,開拓了思路。隨著科技的高速發(fā)展,材料的不斷更新,我們需要對新型的慣性導航材料的切削機理、刀具磨損、切削液的選擇等狀況進行進一步的研究,也需要對切削過程不斷進行優(yōu)化??梢灶A計,超硬刀具和硬質合金刀具的發(fā)展也將在航空、慣性導航等的加工領域中占有很大的一席之地,必將為制造業(yè)的發(fā)展起到積極的推動作用。

        專家點評

        該文以TB6鈦合金導航部件的精密加工為例,按照粗加工→半精加工→精加工的順序分階段安排加工,同時在每個工序階段安排熱處理工藝,消除加工應力,穩(wěn)定加工尺寸。這種通過分階段的反復加工來防止工件變形的工藝方法,在復雜零件的銑削中非常實用。作者針對鈦合金材料的切削加工試驗也很有說服力,為類似零件的加工積累了經驗。

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