钛合金细长件加工工艺

2019-03-20□王丽

产业与科技论坛 2019年21期

□王丽

钛合金密度低、耐热性高、抗腐蚀性能好、韧性、塑性较好，在加工中刀具易缠屑，在钻削加工中尤为突出。目前在航空航天、半导体、医学等许多领域均已得到广泛应用。但导热性能差、加工中易变形，切削过程中的安全性差。由于钛属于易燃金属，并且导热性差在加工中产生的热量大量集中在切削刃处，如果冷却不好，加工中会产生火花可能引燃钛屑。这些特性导致了钛合金成为较难加工的金属材料。

一、典型事例分析

工件特点：外形尺寸为910mm×26mm×13mm的典型细长件产品。变形量要求控制在0.1mm以内。腰形台阶孔有位置度要求即孔与孔间距公差±0.05mm，孔中心到边的距离公差0～+0.03。整体粗糙度要求3.2。其他要求：表面不得有磕碰、刮伤、划痕等缺陷;清除毛刺，尖角倒钝，各棱边、锐角全部倒角C0.1-C0.5。

二、加工工艺及出现的问题

因对钛合金细长件产品的加工缺乏经验，工件总体算是长方体形状，又是单件打样产品，所以从加工成本考虑，采用通用夹具装夹。使用四台相同规格的精密台钳，均布固定在工作台上。四个定钳口用表校直，并且在一条直线上。直线度控制在0.02mm左右。缺点是在调整工装时用时较长。由于在材料采购时，对材料自身变形以及下料切割情况预判不够准确，为保证产品六个面有足够的余量，毛坯实际尺寸为920mm×38mm×20mm。材料的去除量非常大，加工中的应力释放也会更大，就会导致产品更易变形。无形中又增加了产品的加工难度。

(一)用台钳夹住毛坯，用大刀粗加工光面。

1.出现的问题。加工中有大量火花出现。松开台钳后工件两个方向都产生较大变形，约0.4mm。

2.分析原因。大刀开粗产生大量热量，钛合金导热性差，机床内加的是切削油，冷却效果不佳最终导致火花的产生。存在燃烧的风险。

3.工艺调整。一是将切削油更换为乳化液。二是大盘刀改为切削刃较锋利的合金超硬铣刀，线速度60m/min左右。小吃刀量，以减小切削力，从而减小工件受到加工外力引起的变形。

(二)调整后再次加工，加工中产生的火花没有了。

1.出现的问题。工件加工变形量有所降低，但是仍然超差。二次装夹加工另一面时，无法保证两面的平行度，造成厚度尺寸不均匀，上下两面不平行。

2.分析原因。用四个台钳夹工件，每钳口宽度125mm，工件所受的总装夹长度为125×4=500mm。毛坯总长920mm，即仍有近一半的材料处于悬空状态，加上材料细长造成自身强度不足。悬空处材料受到的切削力多数被自身吸收。这是引起变形量居高不下的根源。

3.工艺调整。要想保证整个产品的尺寸均匀，一是尽量减少装夹次数；二是充分利用产品自身特点，采用反复对称加工。使加工中产生的应力释放，通过对称加工的方式相互抵消，最大限度的减小工件变形；三是对工件的少许变形进行校正后再加工腰形槽，保证了位置度要求。

三、加工工艺的改进和设计专用工装

工装采用长990m×118mm×25mm的钢板为材料，中间一排均布5个φ18×φ12.1的沉头，穿M12内六角螺栓，使工装与工作台固定并且完全贴合，从而保证了工装与工件的直接接触面有较高的平面度。

(一)在机床上安装工装，校平、打直。将工件毛坯放置于两排M6螺纹孔中间，用M6内六角螺栓与小压板组合将毛坯与工装固定。由普通压板改为全新设计的小压板，是因为用侧刃加工采用小压板可以有效缩短刀具的伸出量,提高刀具强度。同时由于工件是细长件，小压板更利于装夹。压板数量设置较多，除了使工件与工装固定，还起到了对工件很大的支撑作用。使加工时产生的切削力最大化的由压板吸收。减小工件受到的切削力。

(二)加工采用反复对称铣削的方式进行。刀具选用较锋利的合金超硬铣刀。深度采用分层铣削，一边整体铣掉1mm后，将压板更换至另一边。压板更换方式采用先压一个另一侧压板，然后松掉对应一侧的一个压板，依次交替进行直至所有压板更换到另一侧。然后继续加工另一侧，同样的加工量，相同的走刀参数。从而实现了两侧对称加工。这种装夹方式保证了两次加工仍是在一次装夹下进行的。压板动了，而工件未动，也未发生变形。保证了工件尺寸的一致性、均匀性。依照这种方式两个方向四个面反复加工。

(三)在对称加工中，灵活运用不对称加工。每次松开压板，调整加工方向加工另两面时，将工件置于自然状态，工件的变形量仍有超差，并且其变形都是呈拱形，即一面凸、一面凹。通过问题分析及经验总结，把工件再次固定在工装上时，先加工工件的凹面，并且凹面多加工0.3mm左右再进行对称加工。工艺调整后，变形量基本降低至公差范围内。粗加工结束后，两个方向各留2～3mm余量。在自然状态下放置2天，进行自然时效处理。让工件充分释放内应力。

(四)外形精加工。精加工余量留0.1～0.2mm。先把26mm尺寸加工到位。再精加工13mm方向，因工件在此方向有一个3×3mm的凸台。利用产品特性，把所有余量留在凸台的另一侧。用对称加工，一边加工凸台，一边加工余量。仍然进行反复加工。工件外形及凸台精加工到位后，加工没有凸台侧的倒角。另一侧倒角因为有压板干涉没法加工，由下道工步加工。松开压板后工件整体变形量控制在0.1mm以内，效果很好。

(五)外形到位后把工件放入工装的长槽内。槽深9mm，目的是尽量增大顶块与工件的接触面，从而达到预期的侧顶效果。把顶块放入26×7的开口槽内，通过工装侧面11个M6的螺栓，与顶块组合将工件与槽壁完全贴合，使工件26mm方向的微量变形得以校正。用顶块与工件直接接触也避免了工件划伤。13mm的厚度方向变形，通过压板使工件底部与工装槽底贴合得以校正。工件完全校正后，开始加工。保证了腰形台阶孔、螺纹孔的位置度要求。加工腰形槽采用深度分层铣削。相同深度所有槽加工完，再进行下一个深度的加工，保证了材料整体受力均匀。因钛合金韧性较好，钻孔时增加抬刀次数，从而避免较长的铁屑缠在钻头上，造成工件划伤。攻丝采用前头引牙较多的丝锥。先用机床引牙，然后手动攻丝。既保证了螺纹的垂直度，也降低了断丝锥的风险。这个面所有尺寸全部加工到位后工件翻面，用同样的方法加工另一面的倒角、开口槽等。至此工件加工全部结束。