摘要：本文對(duì)復(fù)雜型面的鈦合金零件加工工藝進(jìn)行了分析，通過(guò)合理的夾具設(shè)計(jì)、專用成形刀具的設(shè)計(jì)制作以及機(jī)床及夾具的調(diào)整，圓滿地完成了型腔的加工，保證了零件的設(shè)計(jì)公差要求。
本次銑削任務(wù)源自于某飛行器翼面裝配弧面及定位槽的銑削加工成形，加工材料為TC4（鈦合金）。該零件形狀復(fù)雜，材料切削性能差，裝夾要求高，為了保證加工質(zhì)量，提高加工效率，對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程做了以下分析。
鈦合金的切削特點(diǎn)如下：①變形系數(shù)小。切屑在前刀面上滑動(dòng)摩擦的路程增大，加速刀具磨損。②切削溫度高。由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較小,切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度短，切削熱不易傳出，集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi)，切削溫度較高。相同切削條件下，切削溫度比切削45鋼時(shí)高出一倍以上。③單位面積切削力大。雖然主切削力比切削鋼時(shí)約小20%，但由于切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度短，單位接觸面積上的切削力大幅增加，易造成崩刃。同時(shí)，由于鈦合金的彈性模量小，加工時(shí)在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動(dòng)，加大刀具磨損并影響零件精度。因此，要求工藝系統(tǒng)應(yīng)具有較好的剛性。④冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重。由于鈦化學(xué)活性大，在高的切削溫度下，極易吸收空氣中的氧和氮而形成硬而脆的外皮；同時(shí)切削過(guò)程中產(chǎn)生的塑性變形也會(huì)造成表面硬化。冷硬現(xiàn)象不僅會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度，還會(huì)加劇刀具磨損，是切削鈦合金時(shí)的一個(gè)很重要的特點(diǎn)。⑤刀具易磨損。鈦合金對(duì)刀具材料的化學(xué)親和性強(qiáng)，在高切削溫度以及單位面積大切削力的條件下，刀具易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。
加工鈦合金的刀具材料可選用硬質(zhì)合金刀具或高速鋼刀具，根據(jù)鈦合金的切削特點(diǎn)，在刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)要求上，采取了以下措施：①選用硬質(zhì)合金刀具時(shí)，為避免切削時(shí)工件與刀具中的鈦元素發(fā)生親和，不宜采用Y T類硬質(zhì)合金和涂層刀片，應(yīng)采用YG類、YH類合金；為提高切削刃強(qiáng)度并改善散熱條件，銑刀前角γo=0°～5°，后角αo=4°～10°，刀尖圓弧半徑控制在0.5mm；硬質(zhì)合金銑刀切削參數(shù)應(yīng)按以下原則選用：切削速度v=12～15m/min，進(jìn)給速度vf=20～75mm/min。②選用高速鋼刀具時(shí)，切削速度v=6～30m/min，進(jìn)給速度vf= 20～60mm/min。
切削液使用大量極壓乳化液，潤(rùn)滑好，冷卻效果佳。
考慮到工藝系統(tǒng)剛度要好，刀具懸伸量較小，以防切削振動(dòng)。加工工藝過(guò)程如表1所示。
切削參數(shù)如表2所示。
按加工飛行器翼面的弧面要求，翼面弧面R104.9mm與彈艙外殼弧面相吻合。傳統(tǒng)的工藝方法是采用臥式鏜床加工，但是，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)：這種加工方法的生產(chǎn)效率極低，一天只能加工4～5件，影響整體進(jìn)度需求。為此，需通過(guò)對(duì)銑刀進(jìn)行改制（見圖1），變更工藝路線，以銑代鏜來(lái)加工弧面R104.9mm。改正加工方法后，生產(chǎn)效率提高5倍多，每天可加工20～25件，不僅保證了用戶的時(shí)間進(jìn)度要求，同時(shí)成功探究出一條以銑代鏜的工藝路線。
表1 加工工藝流程
工序 加工內(nèi)容 刀具 裝夾方法1 銑削弧面 φ22mm硬質(zhì)合金立銑刀 壓板裝夾2 銑削定位槽 φ60mm硬質(zhì)合金三刃面銑刀 壓板定位裝夾
表2 刀具切削參數(shù)
切削參數(shù)刀具 切削速度v/（m·min-1） 進(jìn)給速度vf/（mm·min-1） 背吃刀量af/mm硬質(zhì)合金 14 45 3高速鋼 15 30 5
翼面定位槽的加工，槽深21.1mm，槽長(zhǎng)280mm，槽寬6+0.0750 mm。槽用于翼面與飛行器艙體的裝配定位，須保證槽底尺寸R30mm，市場(chǎng)上無(wú)法購(gòu)買到需要的銑刀，自制一把特殊的帶柄硬質(zhì)合金三面刃銑刀（見圖2），刀柄直徑16mm，銑刀直徑60 mm，厚度5mm，刀頭的材料選擇YG類，銑刀前角γo=3°，后角αo=8°，刀尖圓弧半徑為0.5mm，可以很好地保證槽底尺寸R30mm的精度要求。
圖 1
圖2 帶柄硬質(zhì)合金三面刃銑刀
由于翼面的兩面是斜面，必須選擇專用夾具進(jìn)行裝夾，所以自制一個(gè)專用夾具（見圖3）。夾具設(shè)計(jì)要點(diǎn)：夾具體要承受較大的切削力，因此要有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。夾具體的安裝面應(yīng)足夠大，且盡可能做成周邊接觸的形式。銑床夾具通常通過(guò)定位鍵與銑床工作臺(tái)T形槽的配合來(lái)確定夾具在機(jī)床上的位置。定位鍵與夾具體配合多采用H7/h6。為了提高夾具的安裝精度，定位鍵的下部(與工作臺(tái)T形槽配合部分)可留有余量進(jìn)行修配，或在安裝夾具時(shí)使定位鍵一側(cè)與工作臺(tái)T形槽靠緊，以消除間隙的影響。銑床夾具在夾具體上設(shè)有耳座，并通過(guò)螺栓將夾具牢固地緊固在機(jī)床工作臺(tái)的T形槽中。
圖3 自制專用夾具
根據(jù)圖樣要求，為保證零件的加工精度，需調(diào)整銑頭與工作臺(tái)面不垂直度，通過(guò)實(shí)測(cè)，立銑頭與工作臺(tái)面不垂直度誤差0.1mm/300mm。通過(guò)計(jì)算調(diào)整，確保了立銑頭角度，使其與工件臺(tái)面的不垂直度誤差控制在0.02mm/300mm以內(nèi)，通過(guò)用百分表校正兩點(diǎn)，如圖3所示，使其與工作臺(tái)面平行，并用四塊壓板，壓緊工件進(jìn)行銑削加工。加工時(shí)，通過(guò)用杠桿表校正，控制6mm槽與20mm不對(duì)稱度，使其達(dá)到0.03mm以內(nèi)，保證了槽寬和基準(zhǔn)面的不對(duì)稱度，從而使零件達(dá)到圖樣要求。
該零件形狀不規(guī)則、裝夾困難、公差要求高、材料切削性能差、部分型腔加工困難且無(wú)現(xiàn)成刀具。通過(guò)合理的夾具設(shè)計(jì)、專用成形刀具的設(shè)計(jì)制作以及機(jī)床及夾具的調(diào)整，圓滿地完成了型腔的加工，保證了零件的設(shè)計(jì)公差要求。針對(duì)生產(chǎn)效率低、不能保證及時(shí)交貨的情況，通過(guò)對(duì)刀具的改制，以銑代鏜，合理地改變了工藝路線，在保證零件公差要求的同時(shí)，提高了生產(chǎn)效率，保證了零件的加工精度要求。