大长径比钛合金薄壁零件加工工艺

1、序言

钛合金材料因强度高、密度小、耐腐蚀、耐高温和焊接性好等优异性能，在航空航天领域得到越来越广泛的应用。钛合金材料属于典型的难加工材料，加工过程中导热性较差，切削时黏度较大、弹性模量较小，零件容易产生较大变形、扭曲，加工精度难以保证。机械加工中，壁厚＜1mm的为薄壁零件，长径比＞10的为细长轴零件，这类零件刚度差、装夹困难，受切削力影响易发生加工变形[1]。大长径比钛合金薄壁零件加工的主要难点是散热差、刚度差及抗弯能力弱，加工过程中受切削力、切削热等因素影响，容易产生弯曲、锥度缺陷及腰鼓形等问题。为此通过设备优化、工艺方案改进、加工参数调整和变形校直等措施，来解决这些加工难题。

2、零件结构及加工要求

某零件材料为TC6-M钛合金（双重退火），零件尺寸如图1所示，长径比接近40，壁厚不足0.5mm，属大长径比薄壁结构。内孔φ（4.6±0.05）mm，总长（186±0.2）mm，表面粗糙度值Ra=3.2μm。大端外圆φ8+0.04+0.03mm，尺寸严格；小端外圆φ5.40-0.1mm，要求直线度0.1mm。

2.1材料分析

TC6钛合金是一种综合性能良好的马氏体型α-β两相钛合金。其名义成分为Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr0.5Fe-0.3Si，具有较高的室温强度，化学成分见表1[2]，能在400℃以下长时间工作6000h以上和在450℃以下工作2000h。

2.2加工难点分析

零件结构简单，尺寸精度要求高。夹紧力和径向切削力易使零件产生变形，使得装夹困难。钛合金材料切削工艺性差，也增大了工艺方案的设计难度。

大长径比零件加工通常采用卡盘夹紧和回转顶尖顶紧的装夹方式，一般加工中需要安装跟刀架、中心架来平衡径向切削力，减小加工时的工件变形[3]。图1所示零件由于受外圆和长度尺寸限制，无法直接采用中心架、跟刀架进行装夹，因此提高零件装夹刚度、减小弯曲变形是保证零件加工尺寸精度的主要措施。

3、加工工艺

3.1工艺方案设计

1）零件在轴向预留10mm余量作为工艺附加量用于夹紧，减少夹紧力对零件夹持部位外圆尺寸精度的影响。

2）数控车削加工φ8mm外圆留余量0.2mm、φ5.4mm外圆留余量2mm，提高零件深孔钻削工序装夹刚度，车削后外圆作为深孔钻削工序的定位基准。内孔采用高精度深孔钻床PT2/750进行深孔钻削，保证孔径尺寸公差。

3）数控车削精车削外圆时，以内孔定位穿心轴，提高零件刚度，减小弯曲变形。该工序加工难度最大。

4）零件加工至最终壁厚时，为了减少切断附加引起的变形，采用电火花加工中的线切割去除工艺附加量，钳工加工R0.2mm圆角，并抛光端面和去掉电加工引起的电蚀层。

3.2加工工艺流程

工艺流程：备料→数控车削→深孔钻削→数控精车削→线切割→钳工→超声波清洗→荧光探伤→检验→防锈封存。采用φ15mm×200mm钛合金棒材，数控车床车削外圆至φ10mm×198mm，加工深孔钻削定位基准，深孔钻一次钻削φ（4.6±0.05）mm孔，以内孔定位数控精车削外圆，最后采用线切割去除工艺附加量，钳工去毛刺后清洗零件，进行检验交库。

4、加工中存在的问题及分析

4.1存在的问题

深孔钻削后数控精车削外圆时，存在外圆尺寸超差和同轴度超差导致的穿透问题。（1）精车削外圆方法一　①5工步：两顶粗车削外圆，工艺参数为转速n=800r/min，进给量f=0.14mm/r，去除余量0.2mm。②10工步：采用一夹一顶方式（自制堵头），工艺参数为粗车削转速n=800r/min，进给量f=0.14mm/r，切削至φ5.56mm，去除余量2mm；精车削转速n=800r/min，进给量f=0.1mm/r，切削至φ5.36mm。车削后零件外圆让刀变形，外形呈腰鼓形（见图2）。测量零件中间尺寸为φ5.8mm，两端为φ5.5mm；外圆表面粗糙度值Ra＞6.3μm。（2）精车削外圆方法二　改进精车削走刀路径，通过检查外圆变形量和位置，按直径方向0.3mm（φ5.8mm－φ5.5mm）偏斜量，编程时从零件一端到中间位置走斜线来补偿让刀现象，零件加工后内孔穿透如图3所示。

4.2问题分析

（1）原因分析　

零件外圆形状呈腰鼓形的主要原因是数控车床车削零件时，零件装夹采用一夹一顶方式，零件悬伸较长，刚度差。车削时的切削力可以分解为轴向切削力、切向切削力和径向切削力，轴向切削力、切向切削力使工件产生纵向微量变形，对工件影响不大；径向切削力与零件轴线垂直，使零件产生弯曲变形，导致零件中间切削量最小，零件加工后呈腰鼓形。零件内孔穿透主要是因零件内孔与外圆同轴度超差而引起的，深孔钻加工内孔后，零件已经发生弯曲变形，深孔钻削工序对外圆没有直线度要求，深孔钻削后内孔与外圆不同轴，两顶车削外圆时切削余量不同，导致局部穿透。

（2）机理分析　

零件装夹采用一夹一顶方式，零件总长186mm，数控车床车削外圆时悬伸较长，零件车削过程中受径向切削力和悬伸长度影响而产生弯曲变形。数控车床车削外圆的力学模型如图4所示。

根据材料力学可知，车削外圆时，零件末端的变形量δ的计算公式为

δ＝64FL³/（3πEd⁴）（1）

式中，δ是变形量（mm）；F是刀具作用于工件的径向切削力（N）；L是悬伸长度，指工件装夹点到刀具作用点之间的距离（mm）；E是工件材料的弹性模量（N/mm2）；d是工件毛坯直径（mm）。由式（1）可以看出，在零件材料和工件直径一定的情况下，对零件车削变形量δ影响最大的因素是悬伸长度L，径向切削力F次之[4]。

5、加工工艺改进

5.1设备优化

数控纵切车床加工特点：主轴内弹簧夹头夹持棒料作回转及轴向进给运动，刀具作径向运动。由于刀具的运动轨迹相对于工件的轴线是垂直的，也就是在车削加工中工件是旋转和移动的，车刀不需要跟随工件移动，且切削刀具一直保持在主轴与工件夹紧部位，使零件加工部位始终处于刚度较好的位置，悬伸长度L随零件车刀移动变小时，变形量δ呈指数级减小，因此纵切车床更适合加工大长径比零件。纵切车床与常规车床有本质区别，常规车床在加工中是依靠刀具的移动来完成对多余毛坯料的车削，对于精密细长轴类零件，常规车床显然无法满足加工需要。该零件长径比接近40，相比之下在数控纵切车床上加工更合适。纵切设备加工零件时，必须留有送料部分附加长度（＞200mm）。而常规车床加工该零件，工艺附加长度只需要15mm。由于零件材料为TC6钛合金，价格昂贵，零件在纵切车床加工预留大量工艺附加长度，工艺成本太高，而且现场零件深孔钻削工序已经加工的在制品也无法处理，因此，为了解决零件备料长度不变情况下在纵切车床上加工时的装夹问题，主要采取以下措施。

1）零件附加位置加工M5×0.5-6H内螺纹，旋合长度9mm。

2）设计送料杆（见图5）替代工艺附加。送料杆材料选用45钢，长240mm带M5×0.5-6h外螺纹，送料杆外圆直径应与零件纵切前外圆直径相同，弹簧夹头装夹可靠。

3）为了提高零件刚度，送料杆外圆直径按零件外圆直径名义值8.5mm（车床弹簧夹头规格φ8.5mm），尺寸公差按每0.02mm分1组，共分5组。

5.2调整切削参数

TC6钛合金材料导热性较差，切削时材料黏度较大，弹性模量较小，工件容易产生较大变形。钛合金切削时，切削刃附近区域切削温度高，钛元素活性高，易与氧发生化学反应，加剧了刀尖磨损。通过对多个品牌刀片进行对比试验，优化数控纵切车床加工TC6钛合金材料的刀具和切削参数，车削采用三菱刀片，型号为CCGT09T301M-FSMP9005；切削参数为转速n=900r/min，进给量f=0.02mm/r。零件加工后可满足表面粗糙度值Ra=1.6μm、外圆直线度0.3mm，不能满足外圆直线度0.1mm，同时内孔对外圆同轴度φ0.2mm也难以保证。

5.3优化工艺方案

（1）变形校直　校直工艺是消除轴、棒及管类零件径向弯曲的加工方法[5]。零件深孔钻削加工后已经弯曲变形，需要增加校直工序。深孔钻削加工后，外圆余量壁厚＞2mm，钳工采用压点式校直，零件直线度≤0.15mm。由于纵切后外圆直线度0.3mm，不能满足图样同轴度要求，因此需要对精加工过的φ5.4mm外圆进行校直，此时零件壁厚只有0.4mm，直接压在零件外圆表面校直容易引起零件表面变形。为此，设计如图6所示校直夹具，采用压点式校直，零件放置在双V形结构的夹具上进行限位，压力头设计成青铜半圆环形。青铜材料较钛合金软，压力头改为圆环面，增大接触面积，校直前首先检查外圆直线度，并用红笔标注出弯曲点，再进行校直，目视检查零件外圆无压痕，检查零件外圆、内孔直径尺寸和同轴度均满足设计图样要求。

（2）精车削外圆及切除工艺附加　对大端φ8+0.04+0.03mm外圆进行精加工，切除工艺附加并完成R0.2mm抛光加工及大端面保留尖边。先使用加工中心刀柄进行装夹，利用弹簧夹头弧形面对零件靠近大端外圆处进行夹紧，增大接触面积可减小夹紧变形，然后将刀柄夹在数控车床自定心卡盘上（见图7），利用数控车床精车削大端φ8+0.04+0.03mm外圆，并切除工艺附加以保证零件总长，抛光零件左端面R0.2mm，保留尖边。

5.4改进后的工艺流程及加工效果

零件备料和数控车削粗加工工序内容不变，深孔钻削工序分粗、精加工，孔径按φ（4.6±0.05）mm控制，然后校直零件，保证直线度0.15mm，增加数控车削工序——车削外圆至φ8.5mm，同时在零件工艺附加长度范围内加工工艺内螺纹，安装送料杆。采用数控纵切车床精加工φ5.4mm外圆，纵切后校直零件直线度0.1mm，最后采用数控车床切除工艺附加。清洗零件进行无损检验后交库。改进后的工艺流程：备料→数控车削→深孔钻削→校直→数控车削→纵切加工→校直→数控车削→超声波清洗→荧光探伤→检验→防锈封存。按改进后的工艺方案加工2个批次共60件零件，合格59件。零件已进行装配验证，满足产品性能需求。

6、结束语

本文针对大长径比钛合金薄壁零件的加工难点，通过设备优化、工艺改进、切削参数调整和变形校直等改进措施，摸索出一套合理的工艺流程。加工的关键在于改善零件刚度和解决零件变形问题。对于无法使用中心架装夹的零件，可选用数控纵切设备加工，改善零件传统加工过程中切削力引起的变形问题。钛合金零件由于材料成本高，为减小数控纵切加工工艺附加长度，可设计专用送料工装；钛合金材料切削刀具及切削参数与相同材料刚度好的零件可通用，工艺参数需要随设备、零件具体结构进行适当调整；校直工艺对于大长径比薄壁变形有改善作用，校直时工装采用内环面压力头增大接触面积，解决了零件尺寸局部超差或者外观损伤问题。

参考文献：

[1]贺超，周寅，贺方鑫，等.大长径比薄壁零件加工工艺研究[J].新技术新工艺，2021（7）：24-31.

[2]《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册（第4卷）[M].2版.北京：中国标准出版社，2001.

[3]戴海港，邓志平，李文超.细长轴三刀车削受力分析[J].机械设计与制造，2011（4）：150-152.

[4]张永红，王吉刚，李瑞，等.微型细长轴类零件车削技术研究[J].新技术新工艺，2019（3）：13-15.

[5]李小慧.管件校直工艺对截面变形的影响[D].合肥：合肥工业大学，2013.