钛合金端面槽精密数控车削加工工艺研究

张文明，杨新一，王 勃

(1.中航工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009；2.国网汝阳县供电公司，河南 汝阳 471200)

钛合金由于具有高强度、低密度和高耐腐蚀的特点，在航空航天工业中获得了广泛的应用。然而在加工过程中，刀具耐用度低，热导率小，粘刀严重，其属于难加工材料[1-2]。

1 钛合金端面槽结构及加工技术要求

方位轴下支座是光电探测设备方位部件中的关键零件，其涉及到多组精密轴孔配合，包括轴承配合、装调基准、静密封和动密封等。其中，方位轴座端面槽侧壁是保证整机产品密封性能的关键特征，其尺寸精度、几何误差要求严格(见图1和图2)。

图1 端面槽结构

图2 端面槽加工技术要求

2 钛合金端面槽精密车削工艺难点

根据该零件的技术要求及结构特点，采用卧式车削中心进行加工，通过专用工装的设计与应用，可以一次装夹完成多处内外圆的加工，也能更好地保证工件的几何公差、尺寸精度等。

方位轴下支座的端面槽在加工过程中存在较大的刀具干涉深度，需要采用专用的端面槽刀配合切削钛合金的专用刀片进行加工。本着先粗后精、基面先行的加工原则，制定了方位轴下支座的数控车削加工工艺路线(见表1)。

表1 端面槽精密车削加工工艺路线

采用上述加工工艺加工的端面槽零件，检测结果显示，端面的尺寸及几何公差均满足产品性能要求，但是表面粗糙度>Ra6.3 μm，远远达不到图样Ra0.8 μm的设计要求。端面槽的加工效果图如图3所示，可以看到加工表面具有明显的鱼鳞状颤刀纹。

图3 方位轴下支座端面槽车削加工效果图

3 钛合金端面槽精密车削加工工艺研究

方位轴下支座的端面槽结构加工干涉距离长，需要长悬伸的加工刀具，在加工过程中出现了明显的颤刀纹，分析导致端面槽颤刀纹的原因如下。

1)切削力过大，而机床系统刚度不能满足该切削力，则导致了颤刀纹的出现(切削参数设置不合理，切削参数的设置直接决定了切削力的大小[3]；刀具选型不合理，刀具的几何参数与切削力紧密相关；上述原因均可导致)[4-5]。

2)利用端面槽刀加工端面槽具有其工艺方法本身的局限性，无法加工出高质量的零件表面[6-7]。

3.1 切削参数的影响

根据切削颤振原理，未加工表面的表面波动会被复现，即产生再生型颤振，因此控制好端面槽粗加工质量至关重要。根据金属切削原理，切削力与切削参数之间存在复杂的指数，对于端面槽车削粗加工来说，其切削宽度由刀片的宽度决定，是恒定值，主要控制主轴转速和进给速度[8-9]。

切削力会随切削速度的增大而减小，但是切削速度的增大会导致刀具磨损加快；进给速度越快则切削力越大，因此笔者将进给速度控制在最低的数值0.01 mm/r。根据经验，将车削钛合金的线速度控制在100 mm/min以内，在这个范围内，不同线速度下的加工效果如图4所示。

《鲁迅小说》前100、字中独有的17字为：“眼、便、吃、几、见、老、两、年、气、却、三、声、十、四、似、太、阿”；《北语字表》独有的17字为：“种、当、儿、尔、发、会、开、能、情、如、身、斯、特、现、意、用、把”。

图4 不同线速度下端面槽车削效果

从加工效果来看，使用端面槽刀开端面槽时，在100 mm/min的线速度范围内，改变切削线速度对消除颤刀纹的效果不明显。

开槽后，用端面槽刀对槽扩宽，通过改变切削线速度vc、Z向进给量f以及背吃刀量ap，来试验不同切削参数下的表面加工质量，试验参数见表2。

表2 端面槽扩槽加工试验参数

按照表2所列加工参数对端面槽进行扩槽加工试验，端面槽车削效果如图5所示。由图5可以看出，加工表面仍存在较为严重的颤刀纹，并且颤刀纹的大小随参数的改变没有明显的变化。

图5 不同切削参数下端面槽车削效果

可见，使用目前的端面槽刀对零件进行加工，在试验的加工参数范围内，加工参数的改变没有提升零件的表面质量。

3.2 刀具几何参数的影响

切削力的大小与刀具的几何参数息息相关，减小刀具前角，增大后角，可以使刀具更加锋利，会减小切削层的变形及前面屑摩擦力[10-11]；而刀尖圆弧越小，刀具越锋利。因此，主要改变刀具这2个方面的几何参数，来观察加工的效果。

不同前角下端面槽车削效果如图6所示。根据加工效果可知，随着刀具前角的减小，表面颤刀纹明显减小。

图6 不同前角下端面槽车削效果

不同刀尖圆角下端面槽车削效果如图7所示。根据加工效果可知，刀具刀尖圆角的改变对端面槽表面颤刀纹的消除效果不明显。

图7 不同刀尖圆角下端面槽车削效果

由上述分析可知，在加工钛合金端面槽的过程中，应尽量选取小前角的刀片进行加工。

3.3 加工方法的影响

利用端面槽刀精车钛合金端面槽，通过改变刀具的几何参数，端面槽表面质量出现了明显的改善，但并未消除颤刀纹；因此，考虑端面槽刀不适宜具有长干涉区的钛合金端面槽的精密车削加工，需要更换其他工艺方法。

对端面槽进行了镗削加工，采用40的镗刀柄，刀具前角为0°。钛合金端面槽镗削加工及表面质量如图8所示。

图8 端面槽镗削加工及效果

对端面槽进行镗削加工发现，表面的颤刀纹完全消除，且表面粗糙度可以达到Ra1.6 μm，接近零件的设计指标。为了进一步降低零件表面粗糙度，对端面槽进行抛光处理，最终使零件表面完全符合产品设计指标。

3.4 工艺路线设计

根据试验结果，对钛合金端面槽精密数控车削加工工艺进行优化，优化后的端面槽精密车削加工工艺路线见表3。

表3 优化后的端面槽精密车削加工工艺路线

4 结语

钛合金端面槽在车削加工过程中容易产生颤刀纹的质量缺陷，通过改变端面槽刀的几何参数可以减弱加工表面的颤刀纹，但是不能完全消除。通过增加镗削和抛光的加工工序，不仅可以完全消除颤刀纹，同时可以大幅提升钛合金端面槽的表面加工质量。

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