钛合金薄壁零件加工工艺研究

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 引言

钛合金材料具有密度小，强度高、耐高温、抗氧化性能好等特点，在航空航天领域中应用广泛。但是，由于钛合金的机械加工性能较差，加工效率较低，因此，钛合金材料除了航空航天领域外应用不是很普遍。钛合金零件在加工时，被加工材料与刀具容易起相互反应，形成溶敷、扩散，造成粘刀、烧刀、断刀等现象。

图1所示筒体底部壁厚只有0.25mm，公差只有0.025mm，保证零件加工合格的关键是要保证薄壁处不能有轻微的变形现象。由于公司在钛合金材料加工方面经验欠缺，加工薄壁钛合金材料的加工难度很大，加工过程中零件容易产生变形，变形后厚度公差不能保证。目前，国内相关厂家加工此类薄壁高精度零件也很难保证设计要求，一直以来都没有好的解决办法，因此解决薄壁钛合金零件的加工意义非常重大。本文某航空钛合金薄壁典型零件为例，主要从刀具材料、刀具几何参数、切削液、切削参数等方面进行工艺摸索，找到最优的加工方法，使该类薄壁零件的加工满足设计要求。

2 产品介绍

2.1 技术要求

图1所示为某航空用薄壁筒体。材料为钛合金(Titanium CP2)，底部薄壁处壁厚仅有0.25mm，公差为0.025mm，同时要求该面必须平整，平面度为0.02 mm，外圆直径有近ф20mm，口部5mm左右范围内孔公差为0.025mm。该零件与相应附件贴和感应使用，配合精度要求较高。

图1 筒体

2.2 工艺难点

筒体零件属于薄壁零件，内径、底部壁厚要求高，材料为难加工的钛合金，采用常规的车削加工方法进行加工，会出现内孔公差无法保证，底部变形现象。因此，加工时必须结合钛合金材料的特点，从刀具材料、刀具几何参数、切削工艺参数等方面进行工艺摸索，加工时防止底部变形是保证该零件合格的关键所在。

3 钛合金材料加工难点分析

a) 热导率低，在切削加工时热量存积在刀尖附近，造成局部温度上升快，因此造成刀具温度很高，刀尖急剧磨损，刀具使用寿命低。

b) 由于钛合金材料有很强的化学活性，在刀尖呈高温时，刀具和材料之间易与氧、氢、氮发生热化学反应，增加了材料强度，降低了塑性，造成刀具磨损程度显著加快。

c) 因断续变形产生切屑，刃尖上的切削阻力变大使刃尖磨钝，加快刀具磨损。

d) 杨氏模量(纵弹性模量)小，是钢材的约1/2，在切削加工中，容易引起被加工件的变形。特别是在加工薄壁件时加工回弹更为严重，从而引起后刀面与加工表面产生强烈摩擦，产生刀具的磨损和刀刃崩裂。

e) 切削液，切削钛合金材料时，由于切削温度显著上升，因此为了延长刀具使用寿命必须降低切削温度。所以应使用合适的切削液，以便有效降低切削抗力。

4 工艺优化

结合钛合金材料的加工难点，从刀具材料、刀具的几何参数、切削参数的具体选择及冷却液的影响等几个方面进行工艺摸索及优化。

4.1 刀具材料的选择

加工钛合金时，不宜使用YT类硬质合金刀片。因为YT类硬质合金刀片中含有钛，它会与被加工的钛合金发生亲和作用，粘掉刀尖。其次在车削钛合金时，车刀与切屑的接触远比加工钢件时小得多，作用在车刀接触面积上的单位切削力较大，由于YT类硬质合金刀片较脆，因此容易崩刀刃。在低速切削或切削复杂型面时，可采用高钒高速钢(W12Cr4V4Mo)和高钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)刀具，它们是加工钛合金最好的刀具材料，但因钴资源少且价格昂贵，成本高，因此应尽可能少用，以保护稀有资源并降低成本。

经过对几种刀具材料试用摸索对比，最终刀具材料选用为含钽的硬质合金GC1115,PVD涂层刀片，因为加入了少量的稀有元素，提高了刀片耐磨性。

4.2 刀具几何角度的选择

切削钛合金时，车刀后角α0是所有刀具参数中最敏感的，因为切削层下的金属弹性恢复大和加工硬度大，一般采用大后角可使刃口易于切入金属层，减小后刀面的磨损，但后角过小(小于15°)会出现金属的粘附现象；而后角过大，刀具将被削弱，刀刃容易崩碎。因此，大多数切削钛合金的车刀采用15°后角。从刀具耐用度来看，α0小于或大于15°，都会降低车刀的耐用度。此外，α0为15°的车刀刀刃比较锋利，并可降低切削温度。 该零件选取刀尖圆角为R0.1，前角γ为5°～8°，后角α为15°～18°，其余参数按刀具厂家推荐值进行加工验证，效果较好。

4.3 切削参数的选择

a) 钛合金机械加工时应选择较低的切削速度Vc。切削速度Vc一般情况下取30～50m/min。

b)适当的进给量f。粗加工时取较大进给量，精加工和半精加工取适中的进给量。

c) 合理的切削深度ap。ap=1/3d为宜，钛合金亲合力好，排屑困难，切削深度太大，会造成刀具粘刀、烧刀、断裂现象。

d) 精加工量ac。钛合金表面硬化层约0.1～0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化层上，刀具容易磨损，应该避免硬化层加工，但切削余量不宜过大。

结合上述分析，对各个参数进行优化加工验证，最终选取如下的切削参数，见下表1。

表1 加工过程主要切削参数选用表

4.4 冷却液的影响

钛合金加工时最好不使用含氯的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆，也能防止钛合金高温应力腐蚀开裂。加工时，冷却液要保证充足，冷却液循环速度要快，切削液流量和压力要大，可选用合成水溶性乳化液，也可自配冷却液。我公司使用过的冷却液见下表2。

表2 切削冷却液使用情况

(注：1.上述冷却液试验使用和型号有关系，此处具体型号省约；2.上述品牌仅代表我公司使用情况，对品牌不做标准评价)

在工艺试验中，对我公司的两大类(5#机械油和水溶性切削液：品牌1和品牌2)冷却液用同样刀具及切削参数进行切削对比，结果对加工的零件表面，刀具的磨损等没有区别。我公司现使用的两大类冷却液对上述工艺路线及参数无明显影响。

综上，该钛合金筒体薄壁易变形零件从上述几个方面进行工艺优化后，底部加工变形得到控制及解决，平整度及各公差都控制在了有效的范围内，满足了设计图纸的要求。同时，加工该类零件还涉及机床设备的精度，工夹具的使用，此处不再详述。

5 结论

本文结合具体的零件结构，主要从刀具材料的选择、刀具几何角度的选取、切削工艺参数的优化、冷却液的影响等几个方面进行工艺摸索，从而找出最佳的工艺方案，防止变形，使该零件的加工满足了预定的攻关目标要求。不过，上述工艺参数不是一成不变的，对不同的结构特征，精度要求高低的零件，需要具体分析，找到几个关键因素的有机结合点，制定最优化的工艺组合方案。

[1] 《工艺材料信息》,中国航天科工集团306所.

[2] 刘华明. 《金属切削加工知识及应用》,科学普及出版社.