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所属分类:刀具技术

钛合金内型腔圆柱面加工工艺及专用刀具设计

国际金属加工网 2015年01月12日

【编者按】钛合金是以钛元素为基加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体:钛是同素异构体,熔点为1668℃,在低于882℃时呈密排六方晶格结构,称为α-钛;在882℃以上呈体心立方品格结构,称为β-钛。利用钛的上述两种结构的不同特点,添加适当的合金元素,使其相变温度及组分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。


目前航天产品加工精度要求不断提高,航天领域中整体结构件不断增加,高精度、薄壁腔体类零件在航天产品行业的应用越来越广泛。特别是伺服系统中零部件的加工精度控制的好坏,直接关系到武器系统中的多项性能指标要求,该类零件一般由钛合金坯料整体加工而成,材料去除率最高达85%以上。同时,该类零件的一个显着生产特点是品种多、批量小,甚至是单件生产,这种结构特点和生产模式决定了其制造技术一直处于不稳定状态,加工制造一直存在加工周期长、加工成本高和加工精度不易控制等难点。

随着武器系统的更新换代以及性能的不断提升,当前弹上伺服系统产品零件更趋向于小体积、高精度发展,对加工工艺技术提出更高要求。同时为了追求小体积、高精度的结构,有时也无法兼顾产品的加工工艺性。因此,在伺服产品中出现了一种高精度(尺寸精度要求在0.01 mm以上)的内腔圆柱面结构零件,该结构机械加工工艺性差,运用传统的铸造、机械加工方法难以满足零件精度要求。

1. 零件工艺性分析以及工艺方案的制定

( 1 ) 零件结构及工艺性分析。

某球环框架(见图1)材料为钛合金TC4-M,属于单件小批量生产,零件为精密机械加工件,零件外形尺寸Sφ 108 mm,壁厚4 mm,属于薄壁难加工材料类零件,各形位精度和尺寸精度要求高。由于是整料切削成形,在加工过程中易变形,材料切削性能较差,同时零件结构的工艺性也较差,这为加工带来了极大难度。因此,选用合理的加工方式及正确的刀具成为加工质量保证的关键所在。

(2)加工工艺方案的制定。

通过对球环框架零件结构进行分析,制定如下工艺流程:坯料→粗加工(采用线切去除余量后再进行机械加工)→热处理时效→精加工→交验,加工难点为内腔圆柱面φ 22-0.002-0.010 mm的加工以及形位公差的保证,其结构以及材料加工工艺性差,标准的刀具无法对其进行机械加工。

通过对球环框架零件结构的分析,针对球环框架φ 22-0.002-0.010 mm圆柱面和φ 20+0.008+0.002 mm孔采用如下加工方案:粗加工时通过正反两面两次装夹采用三维切削加工出内腔圆柱面,单边留1 mm余量,精加工时在五轴加工中心采用专用镗刀加工φ 22-0.002-0.010 mm内腔圆柱面,专用镗刀能进行高精度微调,从而保证了φ 22-0.002-0.010 mm圆柱面的尺寸精度,同时采用五轴加工中心一次装夹完成φ 22-0.002-0.010 mm圆柱面和φ 20+0.008+0.002 mm孔的加工,保证了零件同轴度、垂直度公差要求。

2. 专用镗刀的设计

(1)零件材料特性分析。

球环框架零件材料为钛合金TC4-M,其具体特性如下:①钛合金的导热性差,是不良导热体金属材料,切削加工时,切屑与前刀面的接触面积很小,特别容易引起薄壁件的热变形。②钛合金弹性模量低,弹性变形大,钛合金弹性模量为1 078 MPa(约是钢的1/2),切削时接近后刀面处工件的回弹量大,导致已加工表面与后刀面的接触面积特别大。造成加工件几何形状和精度差,表面粗糙度值增大,刀具磨损增加。③钛合金的亲和性大、切削温度高。切削时,钛屑及被切表层与刀具材料咬合,产生严重的粘刀现象,容易引起刀具强烈的粘结磨损。钛合金的高温化学活性强,在600 ℃以上时,与氧、氮产生间隙固溶,吸收气体后钛合金表面的硬度明显上升,对刀具有强烈的磨损作用。因此,要求加工钛合金的刀具具有高强度、高韧性的同时,还要有高的红硬性。

(2)专用镗刀的设计原理。

通过对零件材料性能的分析,结合零件结构特点, 设计了专用于φ 22-0.002-0.010 mm圆柱面加工的镗刀,镗刀结构如图2所示,它包括标准可调镗头1、刀杆2、紧固螺钉4、刀片3,刀片安装在刀杆一端的方孔内,紧固螺钉将刀片紧固在刀杆上,将标准可调镗头与机床主轴连接。被加工零件紧固在数控加工中心辅具上,使加工部位与主轴垂直,通过以上所述镗刀对零件内腔圆柱面进行镗削加工,加工过程中可以根据实际测量尺寸,通过调节标准可调镗头对刀片进行微调,从而保证零件加工精度。标准可调镗头调节范围在0.06 mm以内,直径微调精度在0.002 mm以上,其加工时的状态如图3所示。

(3)镗刀刀杆的设计原理。

根据球环框架零件材料特性,刀杆应具有较高的强度以及良好的韧性,因此,刀杆材料选用合金工具钢CrWMn调质料(32~35 HRC),受球环框架零件内孔尺寸限制,刀杆直径应小于19 mm,同时结合标准可调镗头接口进行配作,配合间隙控制在0.01 mm以内。

(4)镗刀刀片的设计原理。

针对钛合金材料的加工,刀片材料选用YL10.2细晶粒硬质合金报废刀具作为原材料,采用线切割加工成形后,在工具磨床上加工出前后角。此类材料导热性好,有利于热量的散发和降低切削温度,同时具有良好的韧性和高的红硬性。

切削钛合金时,刀具后角α 0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刀具采用15°后角。从刀具耐用度来看,α 0小于或大于15°,都会降低车刀的耐用度。此外,α 0为15°的刀具刀刃比较锋利,并可降低切削温度。

由于钛合金在切削过程中,会与空气中的氧、氢、氮等形成硬脆化合物,造成刀具磨损(主要发生在刀具前刀面上),因此应采用小值前角;此外,钛合金的塑性低,切屑与前刀面的接触面积小,为此也应选用小值前角,这样做可增加切屑与前刀面的接触面积,使切削热和切削压力不至于过分集中于刃口附近,既有利于散热,又加强刃口,避免因切削力集中而产生崩刃。因此,用硬质合金刀具加工钛合金时,取前角γ 0=5°左右并磨出倒棱f(宽度为0.05~0.1 mm),γ f=0°~10°,刀尖磨成r=0.5 mm小值圆弧,刃倾角λ =+3°。

3. 结语

钛合金零件加工在机械制造业中占有很重要地位,钛合金材料的切削加工一直是当前加工工艺技术的难点。为了满足航空航天对于钛合金工件日益增长的需求,我国的钛合金切削加工必须有长足的进步。在基于国内的材料、机床和管理等条件基础上,进一步加强钛合金材料加工工艺路线的优化、加工参数的优选,提高加工效率和产品质量,是推动国内钛合金产业和航空航天工业发展的重要因素。文中设计的内腔圆柱面精加工镗刀,结构简单,制造使用都很方便,解决了球环框架零件加工工艺难题。


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