TB6鈦合金精密加工工藝

■中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第六三五四研究所（江西九江 332000）關(guān)福州 劉 智

TB6鈦合金不僅是制造飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭等航天器的重要結(jié)構(gòu)材料，而且在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域中也逐步開(kāi)始使用。但由于該材料價(jià)格昂貴、難加工以及加工費(fèi)用高，制約了它的應(yīng)用。目前我們所承接的導(dǎo)航部件，軍方為了提升其強(qiáng)度和壽命，決定淘汰傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)鋼30CrNi4MoA，使用TB6鈦合金材料，這就意味著原來(lái)的加工工藝要推倒重來(lái)，重新研究TB6鈦合金的加工工藝方法。我們對(duì)TB6鈦合金材料的性能、加工工藝方法及刀具選用等進(jìn)行了探索和研究，通過(guò)各種試驗(yàn)，積累了許多TB6鈦合金加工的經(jīng)驗(yàn)，特別是切削加工用量及刀具的選擇，在加工研制過(guò)程中得到了驗(yàn)證。本文重點(diǎn)對(duì)TB6鈦合金精密加工和刀具選用方面的工藝創(chuàng)新作一次全面的闡述，也為今后進(jìn)一步開(kāi)展其他鈦合金切削加工的研究提供參考與借鑒。

1.零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

TB6鈦合金軸向鉸軸頸零件如附圖所示，其外型復(fù)雜，技術(shù)要求高，加工難度大。

軸向鉸軸頸零件三維圖

2.TB6鈦合金材料特性分析

鈦合金是一種強(qiáng)度高而密度小、機(jī)械性能好且韌性和抗蝕性能也很好的不銹鋼材料。

TB6不銹鋼材料加工工藝性差，切削加工困難，特別是在熱加工中，非常容易吸收氫、氧、氮和碳等雜質(zhì)。其加工工藝性主要表現(xiàn)在：

（1）摩擦系數(shù)大。該材料導(dǎo)熱系數(shù)低，刀尖切削溫度高，切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱都集中在刀尖上，使刀尖溫度很高，易使刀尖很快熔化或粘結(jié)磨損而變鈍。

（2）彈性模量小。切削時(shí)易產(chǎn)生彈性變形和振動(dòng)，不僅影響零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，而且還影響刀具的使用壽命。

（3）鈦合金化學(xué)親和力較強(qiáng)，極易與其他金屬親和結(jié)合，在加工中切屑與刀具的粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，使刀具的粘結(jié)和擴(kuò)散磨損加大。

3.精加工工藝試驗(yàn)

（1）工藝方法。考慮到該鈦合金零件的加工余量比較大，有的部位很薄，只有2～3mm，主要配合表面的尺寸精度、形位公差要求高，在零件的加工工藝方法及工藝流程安排時(shí)，按粗加工→半精加工→精加工的順序分階段安排加工，同時(shí)在每個(gè)工序階段安排熱處理工藝，消除加工應(yīng)力，穩(wěn)定加工尺寸。這種工藝方法特點(diǎn)主要是通過(guò)分階段的反復(fù)加工，減少表面殘余應(yīng)力，防止變形，最后達(dá)到設(shè)計(jì)圖樣的要求。其主要的加工方法有銑削、車削、磨削、鉆削、鉸削以及攻螺紋等。

（2）銑削加工及刀具試驗(yàn)方案。鈦合金軸向鉸軸頸零件加工中，有大量的銑削余量，為了做好銑削加工，我們做了一些試驗(yàn)，特別是在刀具和切削液的選擇方面：①刀具材質(zhì)選擇了高硬度、高抗彎強(qiáng)度、韌性和耐磨性好且散熱性好的高速W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5（M42）和硬質(zhì)合金YG8、K30、Y330。②銑削時(shí)采用水溶性油質(zhì)切削液來(lái)降低刀具和工件的溫度，以延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

為了提高銑削加工效率，在加工中心機(jī)床上進(jìn)行了高效銑削試驗(yàn)，結(jié)果效率提升了2～3倍，零件表面質(zhì)量也得到較大的提高。表1、表2所示分別為通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)的切削用量和刀具參數(shù)。

（3）孔的精車加工及刀具試驗(yàn)方案。鈦合金軸向鉸軸頸零件加工中，由于熱處理后的表面氧化皮給工藝加工增加了較大困難，為此在加工前用酸洗方法去掉表面薄層氧化皮，然后通過(guò)加大走刀量，降低切削速度來(lái)車削剩余的氧化皮。在刀具材質(zhì)的選擇、切削用量和切削液的選擇方面：①刀具材質(zhì)選用YG類硬質(zhì)合金材料。②刀具的幾何參數(shù)選擇前角γ0=4°～8°，后角α0=12°～18°，主偏角φ=45°～75°，刃傾角λ=0°，刀尖圓弧半徑=0.5～1.5mm。③切削用量按主軸轉(zhuǎn)速n≥230r/min，進(jìn)給量f≥0.10～0.15mm/r。在同樣刀具和切削參數(shù)的情況下，選擇不同切削液進(jìn)行切削試驗(yàn)，檢查表面粗糙度情況；選定切削液后，使用乳化液冷卻，提高了刀具壽度。固定切削參數(shù)，選擇不同刀具材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，檢查表面粗糙度和尺寸控制情況，確定刀具牌號(hào)為YG6X、YG10HT；切削液和刀具固定后，選擇不同切削參數(shù)，對(duì)尺寸控制能力進(jìn)行研究和對(duì)目標(biāo)表面粗糙度實(shí)現(xiàn)能力進(jìn)行驗(yàn)證。

（4）內(nèi)螺紋加工試驗(yàn)方案。由于內(nèi)螺紋不便在放大鏡下觀察，也不便進(jìn)行尺寸精確測(cè)量，選擇外螺紋進(jìn)行替代試車觀察表面粗糙度，選好參數(shù)后進(jìn)行內(nèi)螺紋試車驗(yàn)證，并用粗糙度儀檢測(cè)驗(yàn)證；選擇內(nèi)螺紋車削加工工藝參數(shù)試驗(yàn)，驗(yàn)證上述試驗(yàn)確定的切削液工藝要素和刀具材料要素的適應(yīng)性，螺紋車削的切削接觸刃長(zhǎng)，功率需求大，切削參數(shù)要進(jìn)行單獨(dú)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

（5）孔的磨削加工試驗(yàn)方案。磨削加工階段，由于TB6鈦合金的特質(zhì)，導(dǎo)致了鈦合金磨削非常困難，磨削時(shí)砂輪磨損嚴(yán)重，輕易會(huì)變鈍，同時(shí)易在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力及燒傷現(xiàn)象。為此在磨削過(guò)程中，通過(guò)使用切削液和潤(rùn)滑油，使零件充分冷卻，保證了精磨質(zhì)量。磨削砂輪的材料選用綠碳化硅（TL）、黑碳化硅（TH）兩種磨料，選擇軟砂輪R3、ZR1和ZR2，粒度為46、60。磨削用量的選擇如表3所示。

（6）鉸削加工試驗(yàn)方案。鈦合金的鉆削加工也比較困難，常在加工過(guò)程中出現(xiàn)燒刀和斷鉆現(xiàn)象，其主要原因是鉆頭刃磨不良、排屑不及時(shí)、冷卻不佳以及工藝系統(tǒng)剛性差等。鉸孔是最后一道精加工工序，采用鉆孔→擴(kuò)孔（粗鉸）→精鉸的加工工藝方法。在刀具和切削液的選擇方面：①刀具材料選用M42高速鋼或硬質(zhì)合金K30；刀具的幾何參數(shù)選擇前角γ0=3°～7°，后角α0=12°～18°，主偏角φ=5°～18°。校準(zhǔn)部分刃帶寬度b=0.05～0.15mm，過(guò)寬會(huì)輕易同鈦合金加工表面粘結(jié)，過(guò)窄會(huì)輕易在鉸削時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。鉸刀齒數(shù)為z=4（鉸刀直徑為12mm）。②鉸削時(shí)應(yīng)不斷地注入冷卻潤(rùn)滑液以獲得較好的表面質(zhì)量，同時(shí)應(yīng)勤排屑，及時(shí)清除鉸刀刃上的切屑末，鉸削時(shí)要?jiǎng)蛩俚剡M(jìn)退刀。

表1 銑削用量

表2 銑削刀具參數(shù)

表3 磨削用量

通過(guò)上述幾個(gè)步驟的試驗(yàn)分析，得出TB6鈦合金的各種加工工藝特點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)，形成TB6鈦合金切削工藝方法，并將關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)總結(jié)出來(lái)，擬定了TB6軸向鉸軸頸加工的工藝方案。

4.結(jié)語(yǔ)

按照我們確定的加工工藝方案進(jìn)行產(chǎn)品批量加工，達(dá)到了軸向鉸軸頸的各項(xiàng)精度技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)檢測(cè)后一次性合格。驗(yàn)證了我們對(duì)加工技術(shù)難點(diǎn)分析的正確性，說(shuō)明這種TB6鈦合金切削工藝方法是可行的，也積累了經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)拓了思路。隨著科技的高速發(fā)展，材料的不斷更新，我們需要對(duì)新型的慣性導(dǎo)航材料的切削機(jī)理、刀具磨損、切削液的選擇等狀況進(jìn)行進(jìn)一步的研究，也需要對(duì)切削過(guò)程不斷進(jìn)行優(yōu)化?？梢灶A(yù)計(jì)，超硬刀具和硬質(zhì)合金刀具的發(fā)展也將在航空、慣性導(dǎo)航等的加工領(lǐng)域中占有很大的一席之地，必將為制造業(yè)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

專家點(diǎn)評(píng)

該文以TB6鈦合金導(dǎo)航部件的精密加工為例，按照粗加工→半精加工→精加工的順序分階段安排加工，同時(shí)在每個(gè)工序階段安排熱處理工藝，消除加工應(yīng)力，穩(wěn)定加工尺寸。這種通過(guò)分階段的反復(fù)加工來(lái)防止工件變形的工藝方法，在復(fù)雜零件的銑削中非常實(shí)用。作者針對(duì)鈦合金材料的切削加工試驗(yàn)也很有說(shuō)服力，為類似零件的加工積累了經(jīng)驗(yàn)。