钛合金芯轴车削加工工艺的改进

苏文瑛 ，刘玲玲 ，夏升旺

(1. 河南工学院 机械工程系，河南 新乡 453003；2. 中国电子科技集团公司第二十二研究所，河南 新乡 453003)

0 引言

钛合金因其具有高强度重量比、耐腐蚀、强耐热性等特点，被广泛用于航空航天、汽车、化工、医疗等领域。但同时钛合金具有导热性差、高温化学活性大、弹性模量低，与其它金属材料摩擦系数大等特性，使其在切削加工时，存在刀具前刀面单位面积承受切削力大、切削温度高、粘刀现象严重、工件表面粗糙度差、易造成刀具快速磨损或破损等缺陷[1-4]。

国内外的众多学者对于钛合金的加工方面做了多方面的研究，但因航空航天业一直是钛合金最主要的消费领域，钛合金在航空工业中主要用于制造飞机结构的隔框、蒙皮和翼梁，发动机的风扇叶片和叶盘，故针对用于飞机的薄壁件、曲面件研究较多，但针对细长轴类钛合金车削加工研究较少。在实际加工中，钛合金通常是在低速、低效和大量使用冷却液的条件下进行加工的[5-6]。

本文以某厂钛合金芯轴的加工为例，该轴属细长轴，传统加工方法导致工件不合格，且刀具磨损严重，通过分析其加工难点及原工艺的缺点，经多次钛合金车削加工试验，通过合理选择刀具材料、刀具几何参数并优化切削参数，保证了钛合金芯轴加工质量、减小了车削变形和刀具磨损。

1 零件特征分析及加工难点

某公司加工一种设备上的零件，如图1所示。该零件为钛合金材料，外圆为φ15×160mm。表面粗糙度Ra为1.6μm。φ12的密封槽宽度为25mm。同轴度要求为0.012mm。图左边外圆为φ15×183，表面粗糙度Ra为3.2μm。工件总长为378mm。

图1 钛合金芯轴

根据加工特点分析，该零件加工存在以下难点：

(1)当工件长度与直径之比大于20时，即为细长轴零件。该工件长径比达25.2。细长轴受切削力，自重和旋转时离心力的作用，会产生弯曲，振动，严重影响圆柱度和表面粗糙度，加工难度非常高[7]。

(2)工件为钛合金材料，由于钛合金材料机械、物理性能非常优良，比强度(强度、密度)相对很高，属难加工材料。

(3)加工精度高，尺寸公差，位置公差要求比较严格。

2 原加工方法及存在的问题

最早以前的加工方法为车工粗车留磨量。由外协厂家磨床磨削加工。但是加工过后，未能达到设计和图纸的要求，检验无法通过。原因是工件表面粗糙度太差，有振纹，工件全部报废。钛合金材料非常昂贵，这不仅造成了经济损失，又拖延了工期。之后工艺改为普通车床加工，经多次实验，在上次加工中，虽然保证了加工质量，但存在以下问题：

(1)对操作者技能水平要求较高，且仅局限一人一机才能加工。

(2)对设备精度要求较高。中滑板刻度为每格0.02mm，其它的普通设备都是每格0.1mm，由于厂里的各种原因这台精度较高的车床暂时处于封存状态，无法对这种零件进行普通车床加工。

3 改进工艺

数控加工中心具有机床刚度强、加工适应范围广、精度高、加工过程可编程控制、操作灵活、主轴转数和进给率随时可调等特点[8]，故改进后的工艺采用数控车床加工，采用工序分散的原则，新工艺流程如下：

(1)粗车工件φ17×342，φ40×36。

(2)送热处理进行去应力时效处理。

(3)半精加工，一夹一顶加工时发现工件材料有弯曲变形，解决的办法是重新车基准。夹φ40外圆，顶φ17外圆，车至φ16。然后掉头夹φ16外圆，用百分表校正，把φ40的外圆车至φ39，端面打中心孔，保证零件外圆轴线与两端中心孔轴线保持一致，从而获得比较高的同轴度。

(4)夹φ16的外圆伸出170mm，上顶尖顶中心孔，车φ15×160mm，切412×25 mm的密封槽。如图2所示。

图2 车削芯轴示意图

在加工中发现的问题是：钛合金的导热系数小，导热性差，在切削中刀具和切屑的接触长度较短，切削区域的散热性差，加速了刀具磨损，达不到所要求的Ra1.6的粗糙度值。

解决方法是：选择合适的刀具材料、刀具几何参数并优化切削参数。

(1)经过反复试验，利用以前用过的刀片，材质为YG8硬质合金，重新刃磨，把前刀面刃磨一个2mm宽2mm深的卷屑槽。切削钛合金，刀具必须锋利，钝刀不能进行切削，刀具钝圆半径必须小，且刀具磨损发生在后刀面，故前角磨成8°，后角为15°，刀尖磨成R0.1的刀尖角，既节约了刀具，降低了成本，又能达到图纸公差和表面粗糙度的要求[9-11]。

(2)切φ12×25mm的密封槽时，应选用宽度为1.5mm的外切槽刀，因为宽度越窄，径向力越小，阻力越小，表面粗糙度也就越小[12]。

(3)掉头用铜皮包φ15外圆，伸出250mm，顶φ39外圆端面中心孔，先用粗车刀反刀把342.2mm至363mm的30°圆锥车好，然后用刃磨后的55°刀刃反刀车φ15，下刀218mm车至339.5mm，精车30°圆锥面，长度至363mm，最后精车余量留0.1mm，精车转速采用900转/min，进给量0.02mm/转。如图3所示。

图3 改进后车削芯轴示意图

4 结论

钛合金细长轴类零件存在车削变形、刀具磨损等加工难点，经过反复的尝试摸索，通过改进工艺方法，选择材质为YG8硬质合金刀具，重新刃磨，把前刀面刃磨一个2mm宽2mm深的卷屑槽，刀具必须锋利，刀具后角要大些，刀尖圆弧半径不易过大。粗车时，保证必要的刀具耐用度，确定切削速度；精车时，尽量采用高速切削，可降低表面粗糙度。并在此基础上充分冷却与润滑，最终成功地加工出了合格零件，既拓宽了加工方法，保证了产品质量，又降低了加工成本，提高了生产效率。

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