摘要：本文對復雜型(xing)面的(de)鈦(tai)合金(jin)零(ling)(ling)件加工工藝(yi)進行(xing)了(le)分析，通過合理的(de)夾具(ju)設計、專用成(cheng)形刀(dao)具(ju)的(de)設計制(zhi)作(zuo)以及機床及夾具(ju)的(de)調(diao)整，圓滿地完成(cheng)了(le)型(xing)腔的(de)加工，保證了(le)零(ling)(ling)件的(de)設計公差(cha)要求(qiu)。
本(ben)次銑(xian)(xian)削(xue)任(ren)務源自于某飛行(xing)器(qi)翼面裝配弧面及定位槽的(de)銑(xian)(xian)削(xue)加工成形，加工材(cai)(cai)料為(wei)TC4（鈦合金）。該零件形狀(zhuang)復雜，材(cai)(cai)料切削(xue)性能(neng)差，裝夾要求高(gao)，為(wei)了(le)保證加工質量(liang)，提高(gao)加工效(xiao)率(lv)，對其生產過程做了(le)以下分(fen)析。
鈦(tai)合金的(de)(de)(de)(de)(de)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)特點如下(xia)：①變(bian)形(xing)系數小(xiao)(xiao)。切(qie)(qie)屑在(zai)前(qian)刀面(mian)(mian)上滑動摩擦(ca)的(de)(de)(de)(de)(de)路程增大(da)(da)，加速刀具(ju)(ju)(ju)(ju)磨損。②切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)溫度(du)高(gao)(gao)。由于鈦(tai)合金的(de)(de)(de)(de)(de)導熱(re)系數較小(xiao)(xiao),切(qie)(qie)屑與前(qian)刀面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)接(jie)觸長度(du)短(duan)，切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)熱(re)不(bu)易(yi)(yi)傳(chuan)出，集中(zhong)(zhong)在(zai)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)區(qu)和切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)刃(ren)(ren)附(fu)近的(de)(de)(de)(de)(de)較小(xiao)(xiao)范圍內，切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)溫度(du)較高(gao)(gao)。相同(tong)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)條(tiao)件(jian)下(xia)，切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)溫度(du)比(bi)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)45鋼時(shi)高(gao)(gao)出一倍以上。③單位(wei)面(mian)(mian)積(ji)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)力大(da)(da)。雖然主切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)力比(bi)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)鋼時(shi)約小(xiao)(xiao)20%，但由于切(qie)(qie)屑與前(qian)刀面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)接(jie)觸長度(du)短(duan)，單位(wei)接(jie)觸面(mian)(mian)積(ji)上的(de)(de)(de)(de)(de)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)力大(da)(da)幅增加，易(yi)(yi)造成崩(beng)刃(ren)(ren)。同(tong)時(shi)，由于鈦(tai)合金的(de)(de)(de)(de)(de)彈性(xing)模量小(xiao)(xiao)，加工時(shi)在(zai)徑向力作用(yong)下(xia)容易(yi)(yi)產生彎曲(qu)變(bian)形(xing)，引(yin)起振動，加大(da)(da)刀具(ju)(ju)(ju)(ju)磨損并影響零(ling)件(jian)精度(du)。因此，要求工藝系統應具(ju)(ju)(ju)(ju)有較好的(de)(de)(de)(de)(de)剛(gang)性(xing)。④冷(leng)硬現(xian)象嚴重。由于鈦(tai)化(hua)學活(huo)性(xing)大(da)(da)，在(zai)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)溫度(du)下(xia)，極易(yi)(yi)吸(xi)收空氣中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)氧和氮而形(xing)成硬而脆(cui)的(de)(de)(de)(de)(de)外皮(pi)；同(tong)時(shi)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)過程中(zhong)(zhong)產生的(de)(de)(de)(de)(de)塑性(xing)變(bian)形(xing)也會(hui)(hui)造成表面(mian)(mian)硬化(hua)。冷(leng)硬現(xian)象不(bu)僅會(hui)(hui)降低零(ling)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)疲勞強度(du)，還會(hui)(hui)加劇刀具(ju)(ju)(ju)(ju)磨損，是切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)鈦(tai)合金時(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)一個很重要的(de)(de)(de)(de)(de)特點。⑤刀具(ju)(ju)(ju)(ju)易(yi)(yi)磨損。鈦(tai)合金對刀具(ju)(ju)(ju)(ju)材料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)學親(qin)和性(xing)強，在(zai)高(gao)(gao)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)溫度(du)以及(ji)單位(wei)面(mian)(mian)積(ji)大(da)(da)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)力的(de)(de)(de)(de)(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，刀具(ju)(ju)(ju)(ju)易(yi)(yi)產生粘結磨損。
加工鈦合金的刀具材料可選用硬質合金刀具或高速鋼刀具，根據鈦合金的切削特點，在刀具結構參數要求上，采取了以下措施：①選用硬質合金刀具時，為避免切削時工件與刀具中的鈦元素發生親和，不宜采用Y T類硬質合金和涂層刀片，應采用YG類、YH類合金；為提高切削刃強度并改善散熱條件，銑刀前角γo=0°～5°，后角αo=4°～10°，刀尖圓弧半徑控制在0.5mm；硬質合金銑刀切削參數應按以下原則選用：切削速度v=12～15m/min，進給速度vf=20～75mm/min。②選用高速鋼刀具時，切削速度v=6～30m/min，進給速度vf= 20～60mm/min。
切削液使用大量極(ji)壓乳化液，潤滑好，冷卻效果佳。
考慮到工藝(yi)系統剛度(du)要(yao)好(hao)，刀具懸伸量(liang)較(jiao)小，以防切削振動。加工工藝(yi)過程(cheng)如表1所示。
切(qie)削參數如表2所示。
按加(jia)(jia)工(gong)(gong)飛行(xing)器翼(yi)面(mian)(mian)的(de)弧面(mian)(mian)要求(qiu)(qiu)，翼(yi)面(mian)(mian)弧面(mian)(mian)R104.9mm與彈(dan)艙外(wai)殼(ke)弧面(mian)(mian)相吻合。傳統的(de)工(gong)(gong)藝(yi)方(fang)法是(shi)采用臥式(shi)鏜(tang)床加(jia)(jia)工(gong)(gong)，但(dan)是(shi)，經觀察(cha)發現：這種加(jia)(jia)工(gong)(gong)方(fang)法的(de)生(sheng)產(chan)效率(lv)極低(di)，一(yi)天(tian)只(zhi)能(neng)加(jia)(jia)工(gong)(gong)4～5件(jian)，影(ying)響整體(ti)進度需求(qiu)(qiu)。為此，需通過(guo)對(dui)銑(xian)(xian)刀(dao)進行(xing)改(gai)制（見圖1），變(bian)更工(gong)(gong)藝(yi)路(lu)線，以銑(xian)(xian)代(dai)鏜(tang)來加(jia)(jia)工(gong)(gong)弧面(mian)(mian)R104.9mm。改(gai)正加(jia)(jia)工(gong)(gong)方(fang)法后(hou)，生(sheng)產(chan)效率(lv)提高5倍多(duo)，每天(tian)可加(jia)(jia)工(gong)(gong)20～25件(jian)，不僅保證(zheng)了用戶(hu)的(de)時間進度要求(qiu)(qiu)，同(tong)時成(cheng)功探究出(chu)一(yi)條以銑(xian)(xian)代(dai)鏜(tang)的(de)工(gong)(gong)藝(yi)路(lu)線。
表1 加工工藝流程
工(gong)序 加工(gong)內容(rong) 刀(dao)具 裝(zhuang)夾(jia)方法1 銑(xian)削弧面 φ22mm硬(ying)質合金立銑(xian)刀(dao) 壓板裝(zhuang)夾(jia)2 銑(xian)削定位槽 φ60mm硬(ying)質合金三刃面銑(xian)刀(dao) 壓板定位裝(zhuang)夾(jia)
表2 刀具切削參數
切削參數刀具 切削速度v/（m·min-1） 進給速度vf/（mm·min-1） 背吃刀量af/mm硬質合金 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，市場上無法購買到需要的銑刀，自制一把特殊的帶柄硬質合金三面刃銑刀（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(wei)0.5mm，可以很好地保證槽底尺寸R30mm的精度要求。
圖 1
圖(tu)2 帶柄(bing)硬質合(he)金三面(mian)刃銑刀
由于(yu)翼(yi)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)兩面(mian)是(shi)斜面(mian)，必(bi)須選擇專用(yong)夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)進行裝夾(jia)(jia)(jia)，所以(yi)自制一個專用(yong)夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)（見(jian)圖(tu)3）。夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)設(she)計要(yao)點(dian)：夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)體要(yao)承受較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)切削力，因此要(yao)有(you)(you)足夠(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)強度、剛(gang)度和穩(wen)定(ding)(ding)(ding)性(xing)。夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)安(an)裝面(mian)應足夠(gou)大，且盡(jin)可能做成周(zhou)邊接觸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)式。銑(xian)床(chuang)(chuang)夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)通常(chang)通過(guo)定(ding)(ding)(ding)位(wei)鍵(jian)與銑(xian)床(chuang)(chuang)工(gong)作臺(tai)T形(xing)(xing)槽(cao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)配(pei)(pei)合(he)來(lai)確定(ding)(ding)(ding)夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)在機床(chuang)(chuang)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置。定(ding)(ding)(ding)位(wei)鍵(jian)與夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)體配(pei)(pei)合(he)多采用(yong)H7/h6。為了提高夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)安(an)裝精(jing)度，定(ding)(ding)(ding)位(wei)鍵(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)下(xia)部(與工(gong)作臺(tai)T形(xing)(xing)槽(cao)配(pei)(pei)合(he)部分)可留有(you)(you)余量進行修配(pei)(pei)，或在安(an)裝夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)時使(shi)定(ding)(ding)(ding)位(wei)鍵(jian)一側與工(gong)作臺(tai)T形(xing)(xing)槽(cao)靠緊(jin)，以(yi)消除間(jian)隙的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響。銑(xian)床(chuang)(chuang)夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)在夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)體上設(she)有(you)(you)耳座，并(bing)通過(guo)螺栓將夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)牢固(gu)地緊(jin)固(gu)在機床(chuang)(chuang)工(gong)作臺(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)T形(xing)(xing)槽(cao)中(zhong)。
圖3 自制專用夾具
根據圖(tu)(tu)樣要求，為保(bao)證零件(jian)的加工(gong)(gong)(gong)精度(du)(du)，需(xu)調整(zheng)銑頭(tou)與(yu)工(gong)(gong)(gong)作臺(tai)(tai)(tai)面不(bu)(bu)(bu)(bu)垂直度(du)(du)，通過(guo)實測(ce)，立銑頭(tou)與(yu)工(gong)(gong)(gong)作臺(tai)(tai)(tai)面不(bu)(bu)(bu)(bu)垂直度(du)(du)誤差0.1mm/300mm。通過(guo)計算(suan)調整(zheng)，確保(bao)了(le)立銑頭(tou)角度(du)(du)，使(shi)其與(yu)工(gong)(gong)(gong)件(jian)臺(tai)(tai)(tai)面的不(bu)(bu)(bu)(bu)垂直度(du)(du)誤差控制(zhi)在0.02mm/300mm以內(nei)，通過(guo)用(yong)百分表(biao)校(xiao)正(zheng)兩點(dian)，如圖(tu)(tu)3所(suo)示(shi)，使(shi)其與(yu)工(gong)(gong)(gong)作臺(tai)(tai)(tai)面平行，并用(yong)四塊壓(ya)(ya)板(ban)，壓(ya)(ya)緊工(gong)(gong)(gong)件(jian)進行銑削(xue)加工(gong)(gong)(gong)。加工(gong)(gong)(gong)時，通過(guo)用(yong)杠(gang)桿表(biao)校(xiao)正(zheng)，控制(zhi)6mm槽與(yu)20mm不(bu)(bu)(bu)(bu)對(dui)稱度(du)(du)，使(shi)其達(da)到(dao)0.03mm以內(nei)，保(bao)證了(le)槽寬和基準面的不(bu)(bu)(bu)(bu)對(dui)稱度(du)(du)，從而使(shi)零件(jian)達(da)到(dao)圖(tu)(tu)樣要求。
該零(ling)件(jian)形狀不規則、裝夾困難、公差(cha)(cha)要(yao)求高、材料(liao)切削(xue)性能差(cha)(cha)、部分(fen)型腔加(jia)工困難且(qie)無現成刀(dao)具。通過合理的(de)夾具設計(ji)、專用(yong)成形刀(dao)具的(de)設計(ji)制作以及機床及夾具的(de)調整，圓滿地完成了型腔的(de)加(jia)工，保證了零(ling)件(jian)的(de)設計(ji)公差(cha)(cha)要(yao)求。針對生(sheng)(sheng)產(chan)效率(lv)低、不能保證及時(shi)交貨(huo)的(de)情況，通過對刀(dao)具的(de)改制，以銑代鏜(tang)，合理地改變了工藝(yi)路(lu)線，在保證零(ling)件(jian)公差(cha)(cha)要(yao)求的(de)同時(shi)，提高了生(sheng)(sheng)產(chan)效率(lv)，保證了零(ling)件(jian)的(de)加(jia)工精度要(yao)求。