余大章

（南京航空航天大學(xué)公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，江蘇 南京 211108）

0 引言

鈦合金材料作為一種輕合金材料，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱能力優(yōu)秀等特點(diǎn)[1-2]。但鈦合金亦是一種典型的難加工材料，切削加工過程中切削溫度高、回彈大，極易發(fā)生加工硬化，對(duì)切削刀具與切削工藝均提出了極高的要求[3]。本文針對(duì)航空航天鈦合金結(jié)構(gòu)件加工的工程問題，開展了切削刀具與切削工藝的研究，最終保證切削加工順利完成。

1 加工對(duì)象與刀具選擇

鈦合金結(jié)構(gòu)件翼面裝配弧面及定位槽的銑削加工成型零件圖如圖1所示，加工材料為TC4鈦合金。基于該結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜形狀以及鈦合金材料不佳的切削性能，對(duì)夾具系統(tǒng)做出了改進(jìn)。在本文的工藝優(yōu)化措施下，切削質(zhì)量顯著提高，且加工效率有效提升。

1.1 鈦合金刀具材料的選擇

鈦合金切削加工過程具有如下特點(diǎn)：

（1）變形系數(shù)小。切屑在前刀面上具有較大的滑動(dòng)摩擦的路程，導(dǎo)致刀具易磨損。

（2）切削溫度高。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小且切屑與前刀面的接觸路徑短，切削熱容易在切削區(qū)和切削刃附近的一個(gè)較小區(qū)域內(nèi)不斷累積，使該區(qū)域溫度保持在一個(gè)較高的程度。在其他切削條件不變的前提下，其切削溫度可比45號(hào)鋼高出一倍以上。

（3）工藝系統(tǒng)剛度要求高。切屑與前刀面之間的小距離接觸使得單位切削力增大，更易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。鈦合金自身彈性模量也小，加工過程中回彈現(xiàn)象明顯，不僅容易導(dǎo)致刀具進(jìn)一步損耗，也容易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，影響最終的加工質(zhì)量，需要提高整個(gè)加工系統(tǒng)的剛度以抵抗變形。

（4）加工硬化明顯。鈦合金材料具有較高的活性，高切削溫度下更是如此，其表面極易與空氣反應(yīng)形成各種硬脆層，而加工時(shí)的塑性形變會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致表面的硬化。綜合作用下，刀具壽命嚴(yán)重縮短，且最終加工件疲勞性能表現(xiàn)不佳。

（5）硬質(zhì)合金刀具易磨損。硬質(zhì)合金可用于加工鈦合金材料，但是由于鈦合金對(duì)硬質(zhì)合金的化學(xué)親和性強(qiáng)，在加工過程中形成的高溫高壓條件易使刀具出現(xiàn)粘結(jié)磨損問題。

針對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)件上述特點(diǎn)，切削刀具材料最終選用硬質(zhì)合金或高速鋼。根據(jù)刀具材料的不同，對(duì)具體工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)做出如下修正：硬質(zhì)合金刀具，首先需要考慮切削工件與鈦合金之間的親和反應(yīng)，故排除YT類硬質(zhì)合金刀片，選擇YG6類硬質(zhì)合金刀片。另外，為提高切削刃強(qiáng)度和改善散熱條件，銑刀前角γ控制在0°～5°，后角α控制在4°～10°，刀尖圓弧半徑控制在0.5 mm。同時(shí)，硬質(zhì)合金銑刀切削參數(shù)應(yīng)按以下原則選用：切削速度選擇Vc=60 m/min，進(jìn)給量控制在Vf=130 mm/min。當(dāng)選用高速鋼刀具時(shí)，切削速度Vc=6～30 m/min，進(jìn)給量控制在Vf=20～60 mm/min。冷卻液使用大量的極壓乳化液，具有潤(rùn)滑好、冷卻效果佳的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 加工工藝過程

為提高整個(gè)夾具系統(tǒng)剛度，減小刀具的懸伸距離，以避免切削過程易產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象，最終工藝參數(shù)如表1所示。

表1 切削參數(shù)

2 改制刀具

2.1 硬質(zhì)合金立銑刀的改制

按加工鈦合金結(jié)構(gòu)件翼面的弧面要求，翼面弧面與鈦合金結(jié)構(gòu)件外殼弧面相吻合（圖1，R104.9）。傳統(tǒng)加工手段為通用的臥式鏜床，但生產(chǎn)效率偏低（每日僅能加工4～5件），難以滿足目標(biāo)基本生產(chǎn)需求[4]。本文提出了一種新的加工手段，選擇銑削方法加工弧面R104.9，以銑代鏜，最終加工效率提高了5倍以上。而該方法需要對(duì)銑刀做出優(yōu)化改進(jìn)，如圖2所示，同時(shí)需要對(duì)工藝路線進(jìn)行修正。

2.2 帶柄硬質(zhì)合金三面刃盤銑刀

翼面定位槽的加工，槽深21.1 mm，槽長(zhǎng)280 mm，槽寬（6+0.075）mm，該槽用于翼面與鈦合金結(jié)構(gòu)件艙體的裝配定位，須保證槽底尺寸R30[5]。為了滿足加工要求，自制的帶柄硬質(zhì)合金三面刃銑刀如圖3所示，刀柄直徑16 mm，銑刀直徑（60+0.2）mm，厚度5 mm，刀頭的材料選擇YG類，銑刀前角γ=3°，后角α=8°，刀尖圓弧半徑為0.5 mm，最終滿足了尺寸R30的精度要求。

3 自制夾具

由于翼面結(jié)構(gòu)件的兩側(cè)面為兩傾斜復(fù)雜型面，選用的常規(guī)夾具無法有效裝夾，需要設(shè)計(jì)一款針對(duì)性的專用夾具。針對(duì)該現(xiàn)狀，本文自制了專用夾具，如圖4所示。

基本設(shè)計(jì)要求為：強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均需要提升，以保證夾具系統(tǒng)在加工過程中可以承受較大的力[6]；進(jìn)一步增大夾具系統(tǒng)的安裝面，以周邊接觸作為最佳接觸選擇。適用于銑床的夾具為保持定位，會(huì)選取定位鍵與自身平臺(tái)具有特定形狀的槽進(jìn)行配合。定向鍵與夾具體配合多采用H7/h6，定位鍵與特定形狀槽（通常為T形槽）配合的部分預(yù)留出一定部分的余量進(jìn)行修配，以保證最終的安裝精度，或通過在夾具正常使用時(shí)，使定位鍵的某一面與平臺(tái)特定形狀槽接觸，抵消安裝間隙。銑床夾具通常配有特殊設(shè)計(jì)的耳座，以螺栓連接的方式保證整個(gè)加工系統(tǒng)的緊密連接[7-8]。加工工藝及切削參數(shù)如表2所示。

表2 加工工藝及切削參數(shù)

4 銑床調(diào)整、裝夾校正后進(jìn)行銑削加工

根據(jù)圖紙中給出的指標(biāo)，銑頭與工作臺(tái)面之間的不垂直度是影響最終加工件制造精度的一個(gè)關(guān)鍵因素。經(jīng)測(cè)量，立銑頭與工作臺(tái)面不垂直度誤差為0.1/300 mm。經(jīng)計(jì)算調(diào)整后修正了立銑頭角度，二者之間的不垂直度誤差控制在0.02/300 mm以內(nèi)。選用百分表校正圖4中408 mm長(zhǎng)底邊的兩端點(diǎn)，保證其平行于工作臺(tái)面，安裝4塊壓板后，最終工件保持緊密接觸狀態(tài)以進(jìn)行銑削加工。加工過程中，采用杠桿表不斷測(cè)量修正，使得6 mm槽與20 mm不對(duì)稱度滿足要求，控制在0.03 mm以內(nèi)。槽寬和408 mm長(zhǎng)底邊基準(zhǔn)面的不對(duì)稱度數(shù)值達(dá)標(biāo)后，最終加工的零件的實(shí)測(cè)值可達(dá)到圖紙中給出的具體數(shù)值。

5 結(jié)語

目標(biāo)零件存在較多的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，同時(shí)曲面的存在對(duì)裝夾提出了更高的要求。根據(jù)圖紙目標(biāo)需求，公差標(biāo)準(zhǔn)要求高，而鈦合金材料特殊的加工難點(diǎn)使得部分型腔結(jié)構(gòu)難以加工，常規(guī)刀具無法使用。本文針對(duì)這些問題，對(duì)夾具進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇了合適的刀具材料并改進(jìn)了刀具結(jié)構(gòu)，最終對(duì)機(jī)床夾具和工藝路線進(jìn)行調(diào)整后，實(shí)現(xiàn)了難加工型腔的順利制造，同時(shí)精度公差指標(biāo)亦滿足圖紙目標(biāo)需求。針對(duì)傳統(tǒng)方法加工效率低的問題，本文提出的以銑代鏜的加工方法有效提高了加工效率。