針對大長徑比鈦合金薄壁零件的加工難點，以及傳統(tǒng)加工方法中的不足進行工藝分析，采用數控縱切加工減小零件切削抗力帶來的變形，設計送料工裝解決精車削外圓時的裝夾問題，設計校直工裝解決精車削后的變形問題。通過設備優(yōu)化、工藝方案改進、加工參數調整和變形校直等措施，摸索出一套合理的加工工藝流程并進行驗證，攻克了薄壁零件的加工難題。
01
序言
鈦合金材料因強度高、密度小、耐腐蝕、耐高溫和焊接性好等優(yōu)異性能，在航空航天領域得到越來越廣泛的應用。鈦合金材料屬于典型的難加工材料，加工過程中導熱性較差，切削時黏度較大、彈性模量較小，零件容易產生較大變形、扭曲，加工精度難以保證。機械加工中，壁厚＜1mm的為薄壁零件，長徑比＞10的為細長軸零件，這類零件剛度差、裝夾困難，受切削力影響易發(fā)生加工變形[1]。
大長徑比鈦合金薄壁零件加工的主要難點是散熱差、剛度差及抗彎能力弱，加工過程中受切削力、切削熱等因素影響，容易產生彎曲、錐度缺陷及腰鼓形等問題。為此通過設備優(yōu)化、工藝方案改進、加工參數調整和變形校直等措施，來解決這些加工難題。
02
零件結構及加工要求
某零件材料為TC6-M鈦合金（雙重退火），零件尺寸如圖1所示，長徑比接近40，壁厚不足0.5mm，屬大長徑比薄壁結構。內孔φ（4.6±0.05）mm，總長（186±0.2）mm，表面粗糙度值Ra=3.2μm。大端外圓φ8圖片mm，尺寸嚴格；小端外圓φ5.4圖片mm，要求直線度0.1mm。
2.1 材料分析
TC6鈦合金是一種綜合性能良好的馬氏體型α-β兩相鈦合金。其名義成分為Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si，具有較高的室溫強度，化學成分見表1[2]，能在400℃以下長時間工作6000h以上和在450℃以下工作2000h。
表1 TC6鈦合金化學成分（質量分數） （%）
2.2 加工難點分析
零件結構簡單，尺寸精度要求高。夾緊力和徑向切削力易使零件產生變形，使得裝夾困難。鈦合金材料切削工藝性差，也增大了工藝方案的設計難度。
大長徑比零件加工通常采用卡盤夾緊和回轉頂尖頂緊的裝夾方式，一般加工中需要安裝跟刀架、中心架來平衡徑向切削力，減小加工時的工件變形[3]。圖1所示零件由于受外圓和長度尺寸限制，無法直接采用中心架、跟刀架進行裝夾，因此提高零件裝夾剛度、減小彎曲變形是保證零件加工尺寸精度的主要措施。
圖1 零件尺寸
03
加工工藝
3.1 工藝方案設計
1）零件在軸向預留10mm余量作為工藝附加量用于夾緊，減少夾緊力對零件夾持部位外圓尺寸精度的影響。
2）數控車削加工φ8mm外圓留余量0.2mm、φ5.4mm外圓留余量2mm，提高零件深孔鉆削工序裝夾剛度，車削后外圓作為深孔鉆削工序的定位基準。內孔采用高精度深孔鉆床PT2/750進行深孔鉆削，保證孔徑尺寸公差。
3）數控車削精車削外圓時，以內孔定位穿心軸，提高零件剛度，減小彎曲變形。該工序加工難度最大。
4）零件加工至最終壁厚時，為了減少切斷附加引起的變形，采用電火花加工中的線切割去除工藝附加量，鉗工加工R0.2mm圓角，并拋光端面和去掉電加工引起的電蝕層。
3.2 加工工藝流程
工藝流程：備料→數控車削→深孔鉆削→數控精車削→線切割→鉗工→超聲波清洗→熒光探傷→檢驗→防銹封存。
采用φ15mm×200mm鈦合金棒材，數控車床車削外圓至φ10mm×198mm，加工深孔鉆削定位基準，深孔鉆一次鉆削φ（4.6±0.05）mm孔，以內孔定位數控精車削外圓，最后采用線切割去除工藝附加量，鉗工去毛刺后清洗零件，進行檢驗交庫。
04
加工中存在的問題及分析
4.1 存在的問題
深孔鉆削后數控精車削外圓時，存在外圓尺寸超差和同軸度超差導致的穿透問題。
（1）精車削外圓方法一?、?工步：兩頂粗車削外圓，工藝參數為轉速n=800r/min，進給量f=0.14mm/r，去除余量0.2mm。②10工步：采用一夾一頂方式（自制堵頭），工藝參數為粗車削轉速n=800r/min，進給量f=0.14mm/r，切削至φ5.56mm，去除余量2mm；精車削轉速n=800r/min，進給量f=0.1mm/r，切削至φ5.36mm。
車削后零件外圓讓刀變形，外形呈腰鼓形（見圖2）。測量零件中間尺寸為φ5.8mm，兩端為φ5.5mm；外圓表面粗糙度值Ra＞6.3μm。
圖2 零件變形
（2）精車削外圓方法二 改進精車削走刀路徑，通過檢查外圓變形量和位置，按直徑方向0.3mm（φ5.8mm－φ5.5mm）偏斜量，編程時從零件一端到中間位置走斜線來補償讓刀現象，零件加工后內孔穿透如圖3所示。
圖3 零件內孔穿透
4.2 問題分析
（1）原因分析 零件外圓形狀呈腰鼓形的主要原因是數控車床車削零件時，零件裝夾采用一夾一頂方式，零件懸伸較長，剛度差。車削時的切削力可以分解為軸向切削力、切向切削力和徑向切削力，軸向切削力、切向切削力使工件產生縱向微量變形，對工件影響不大；徑向切削力與零件軸線垂直，使零件產生彎曲變形，導致零件中間切削量最小，零件加工后呈腰鼓形。
零件內孔穿透主要是因零件內孔與外圓同軸度超差而引起的，深孔鉆加工內孔后，零件已經發(fā)生彎曲變形，深孔鉆削工序對外圓沒有直線度要求，深孔鉆削后內孔與外圓不同軸，兩頂車削外圓時切削余量不同，導致局部穿透。
（2）機理分析 零件裝夾采用一夾一頂方式，零件總長186mm，數控車床車削外圓時懸伸較長，零件車削過程中受徑向切削力和懸伸長度影響而產生彎曲變形。數控車床車削外圓的力學模型如圖4所示。
圖4 車削外圓力學模型
根據材料力學可知，車削外圓時，零件末端的變形量δ的計算公式為
δ＝64FL3/（3πEd4） （1）
式中，δ是變形量（mm）；F是刀具作用于工件的徑向切削力（N）；L是懸伸長度，指工件裝夾點到刀具作用點之間的距離（mm）；E是工件材料的彈性模量（N/mm2）；d是工件毛坯直徑（mm）。由式（1）可以看出，在零件材料和工件直徑一定的情況下，對零件車削變形量δ影響最大的因素是懸伸長度L，徑向切削力F次之[4]。
05
加工工藝改進
5.1 設備優(yōu)化
數控縱切車床加工特點：主軸內彈簧夾頭夾持棒料作回轉及軸向進給運動，刀具作徑向運動。由于刀具的運動軌跡相對于工件的軸線是垂直的，也就是在車削加工中工件是旋轉和移動的，車刀不需要跟隨工件移動，且切削刀具一直保持在主軸與工件夾緊部位，使零件加工部位始終處于剛度較好的位置，懸伸長度L隨零件車刀移動變小時，變形量δ呈指數級減小，因此縱切車床更適合加工大長徑比零件。
縱切車床與常規(guī)車床有本質區(qū)別，常規(guī)車床在加工中是依靠刀具的移動來完成對多余毛坯料的車削，對于精密細長軸類零件，常規(guī)車床顯然無法滿足加工需要。該零件長徑比接近40，相比之下在數控縱切車床上加工更合適?？v切設備加工零件時，必須留有送料部分附加長度（＞200mm）。而常規(guī)車床加工該零件，工藝附加長度只需要15mm。
由于零件材料為TC6鈦合金，價格昂貴，零件在縱切車床加工預留大量工藝附加長度，工藝成本太高，而且現場零件深孔鉆削工序已經加工的在制品也無法處理，因此，為了解決零件備料長度不變情況下在縱切車床上加工時的裝夾問題，主要采取以下措施。
1）零件附加位置加工M5×0.5-6H內螺紋，旋合長度9mm。
2）設計送料桿（見圖5）替代工藝附加。送料桿材料選用45鋼，長240mm帶M5×0.5-6h外螺紋，送料桿外圓直徑應與零件縱切前外圓直徑相同，彈簧夾頭裝夾可靠。
a）尺寸
b）實物
圖5 送料桿
3）為了提高零件剛度，送料桿外圓直徑按零件外圓直徑名義值8.5mm（車床彈簧夾頭規(guī)格φ8.5mm），尺寸公差按每0.02mm分1組，共分5組。
5.2 調整切削參數
TC6鈦合金材料導熱性較差，切削時材料黏度較大，彈性模量較小，工件容易產生較大變形。鈦合金切削時，切削刃附近區(qū)域切削溫度高，鈦元素活性高，易與氧發(fā)生化學反應，加劇了刀尖磨損。通過對多個品牌刀片進行對比試驗，優(yōu)化數控縱切車床加工TC6鈦合金材料的刀具和切削參數，車削采用三菱刀片，型號為CCGT09T301M-FS MP9005；切削參數為轉速n=900r/min，進給量f=0.02mm/r。零件加工后可滿足表面粗糙度值Ra=1.6μm、外圓直線度0.3mm，不能滿足外圓直線度0.1mm，同時內孔對外圓同軸度φ0.2mm也難以保證。
5.3 優(yōu)化工藝方案
（1）變形校直 校直工藝是消除軸、棒及管類零件徑向彎曲的加工方法[5]。零件深孔鉆削加工后已經彎曲變形，需要增加校直工序。深孔鉆削加工后，外圓余量壁厚＞2mm，鉗工采用壓點式校直，零件直線度≤0.15mm。
由于縱切后外圓直線度0.3mm，不能滿足圖樣同軸度要求，因此需要對精加工過的φ5.4mm外圓進行校直，此時零件壁厚只有0.4mm，直接壓在零件外圓表面校直容易引起零件表面變形。為此，設計如圖6所示校直夾具，采用壓點式校直，零件放置在雙V形結構的夾具上進行限位，壓力頭設計成青銅半圓環(huán)形。青銅材料較鈦合金軟，壓力頭改為圓環(huán)面，增大接觸面積，校直前首先檢查外圓直線度，并用紅筆標注出彎曲點，再進行校直，目視檢查零件外圓無壓痕，檢查零件外圓、內孔直徑尺寸和同軸度均滿足設計圖樣要求。
圖6 校直夾具
（2）精車削外圓及切除工藝附加 對大端φ8
mm外圓進行精加工，切除工藝附加并完成R0.2mm拋光加工及大端面保留尖邊。先使用加工中心刀柄進行裝夾，利用彈簧夾頭弧形面對零件靠近大端外圓處進行夾緊，增大接觸面積可減小夾緊變形，然后將刀柄夾在數控車床自定心卡盤上（見圖7），利用數控車床精車削大端φ8
mm外圓，并切除工藝附加以保證零件總長，拋光零件左端面R0.2mm，保留尖邊。
圖7 精車削外圓裝夾方式
5.4 改進后的工藝流程及加工效果
零件備料和數控車削粗加工工序內容不變，深孔鉆削工序分粗、精加工，孔徑按φ（4.6±0.05）mm控制，然后校直零件，保證直線度0.15mm，增加數控車削工序——車削外圓至φ8.5mm，同時在零件工藝附加長度范圍內加工工藝內螺紋，安裝送料桿。采用數控縱切車床精加工φ5.4mm外圓，縱切后校直零件直線度0.1mm，最后采用數控車床切除工藝附加。清洗零件進行無損檢驗后交庫。
改進后的工藝流程：備料→數控車削→深孔鉆削→校直→數控車削→縱切加工→校直→數控車削→超聲波清洗→熒光探傷→檢驗→防銹封存。按改進后的工藝方案加工2個批次共60件零件，合格59件。零件已進行裝配驗證，滿足產品性能需求。
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結束語
本文針對大長徑比鈦合金薄壁零件的加工難點，通過設備優(yōu)化、工藝改進、切削參數調整和變形校直等改進措施，摸索出一套合理的工藝流程。加工的關鍵在于改善零件剛度和解決零件變形問題。對于無法使用中心架裝夾的零件，可選用數控縱切設備加工，改善零件傳統(tǒng)加工過程中切削力引起的變形問題。鈦合金零件由于材料成本高，為減小數控縱切加工工藝附加長度，可設計專用送料工裝；鈦合金材料切削刀具及切削參數與相同材料剛度好的零件可通用，工藝參數需要隨設備、零件具體結構進行適當調整；校直工藝對于大長徑比薄壁變形有改善作用，校直時工裝采用內環(huán)面壓力頭增大接觸面積，解決了零件尺寸局部超差或者外觀損傷問題。
