TC11鈦合金細長桿車削加工工藝探討

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摘要：針對難加工長徑比較大的零件，加工時會造成切削力大、桿件容易發生變形、桿的尺寸精度難以得到保證等問題，提出了一種合理的加工工藝。主要從工藝路線的選定、裝夾方式的選擇、切削用量的選擇、刀具和刀片的選擇等方面作出了合理的分析，采用一端用三爪卡盤夾緊和另外一端用兩個中心架輔助支撐的裝夾方式。在切削全過程中，用特殊的車刀以及特殊的冷卻液加工。通過在CW6163普通車床上進行驗證，結果表明采用一端用三爪卡盤夾緊和另外一端用兩個中心架輔助支撐的裝夾方式能夠減小細長桿在加工中的變形。在該種加工工藝方案中，特制的R38mm車刀、粗精車的切削用量、機夾式結構車刀、COOlancutO-11型號的切削液以及YG8材料的刀片能夠用來切削難加工材料，并且很好地保證了細長桿零件的尺寸精度和粗糙度要求。

關鍵詞：細長桿；裝夾方式；車刀；加工工藝

細長桿零件通常是指長度與直徑之比大于或等于25的零件[1]。車削細長桿零件一直是一個難題，再加上如果是tc11這種難加工材料，更加劇了問題的嚴重性。但TC11(Ti-6Al-3.5Mo-1.8Zr)屬于一種馬氏體強化型α+β型兩相鈦合金。可以在400~500℃下長期使用，具有非常強的工藝塑性、組織穩定、抗蠕變能力和抗高溫變形能力，抗拉強度可以達到1030MPa，多為航空航天零件材料的良好選擇[2-4]。與普通零件相比，TC11鈦合金細長桿切削性能差，主要表現為鈦合金材料切削變形系數小，切削中刀具和材料局部之間會產生高溫、高壓、冷作硬化嚴重、切削力大，這些情況加劇烈了刀具磨損，再加上細長桿剛度較差、受熱變形較大嚴重影響了加工精度和表面質量[5-6]。喻紅中[7]在折析細長桿件車削加工方法中，充分分析了零件的結構、工藝特點以及零件產生的缺陷原因，采用合理的工藝路徑，探索出細長軸的加工方法。宋宏明[8]在細長桿的車削加工技術淺析中，歸納了車削常見缺陷及其原因，并在切削加工方面提出了改進措施。梁滿營等[9]在細長軸切削加工工藝方案研究中，一邊用三爪卡盤，一邊用彈性頂尖的裝夾方式，直線插補和圓弧插補相結合的加工方法來加工細長軸。以上的研究方法都適用加工比較容易切削的材料和小型零件，但實際生產中，往往會碰到大型、甚至中間有孔的難加工材料零件，比如鉆桿之類的就不太適應了。針對以上問題，本文對TC11鈦合金細長桿零件在實際生產中，對加工工藝、裝夾方式、受力情況以及刀具選擇等方面，作出了合理的分析，并通過試驗驗證得出，該種工工藝可以達到預期的加工效果。

1細長桿在加工過程中工藝性分析

細長桿在車削過程中的熱擴散性能比較差，在車削過程中，會在切削熱的作用下刀具發生黏結磨損，從而影響工件的表面粗糙度和加工精度[10]。并且鈦合金TC11材料由兩相組織組成，在切削過程中由于硬度比較大，因此在加工中需要比較大的切削力。以圖1所示的零件為例，只對細長桿外圓車削部分進行進行工藝性分析，內外螺紋以及鍵槽部分不做分析處理。

1.1加工難點

1.1.1加工的尺寸公差要求TC11材料的化學成分如表1所示。TC11具有難加工性。同軸度要求為0.03mm，外徑為ϕ1780-0.4mm和ϕ143+0.50mm，長度為550+20mm、11500-2mm、760+20mm、6110+100mm，粗糙度為Ra3.2µm，與18°的錐度，R38mm的圓角。1.1.2細長桿加工特性細長桿廣泛應用于生活中，主要起到傳遞扭矩、輸出動力源和承擔載荷的作用。但細長桿在加工過程中受到切削力和切削熱的作用，容易造成桿的彎曲，出現直線度、同軸度、徑向圓跳動和尺寸精度等不合格的現象，廢品率很高。

1.2加工過程工藝路線的分析

TC11鈦合金細長桿車削的目的：從實現基準轉換的角度，來保證零件的同軸度與尺寸。因此可以通過打表的方式，將孔的軸線放置與車床導軌平行。再用超聲波測厚儀測量出壁厚，利用粗車將原來孔的軸線基準轉化到圓柱的表面上，用半精車修正外圓。最后在經過精車與拋光的方式，達到尺寸和粗糙度的要求。外圓加工過程中，將背吃刀量按照幾乎均勻等分的方式進行粗車與精車加工，來保證最后的加工精度以及削弱刀具的磨損。加工R38mm的倒角與18°的錐角時，利用四方刀架旋轉成固定的18°并且采用特制的R38mm的外圓車刀進行加工。

1.3裝夾方式的選擇

（1）雙頂尖法裝夾法。采用雙頂尖裝夾，工件定位準確，同軸度容易得到保證。但是細長桿的剛度差，兩端都用頂尖，細長桿容易在刀具切削力的作用下產生彎曲。（2）一端夾緊另外一端頂尖的裝夾法。如果頂的太緊，孔的內部容易在端口變形，并且還會導致細長桿往外彎曲的可能，并且三爪卡盤和頂尖的同軸度也不能保證。細長桿在受熱以后，會產生膨脹，從而加劇了細長桿的彎曲，而這種裝夾方式可以改善，即三爪卡盤夾緊端采用開口的鋼絲圈減小夾緊的接觸長度，頂端采用彈性頂端來緩解彎曲變形。（3）三爪卡盤和中心架。采用一端加緊，一端用中心架支撐，支撐架合理的擺放位置，能夠極大的減小切削過程中的振動，減小了徑向切削力。由于6m長的細長桿和車床的長度大致一樣長，有一端無法采用頂尖。這里的裝夾方式采用的為一端三爪卡盤夾緊，中間用兩個中心架支撐。為了方便裝夾，這個零件自帶100mm的工藝夾頭，待零件加工完成之后可進行切除，裝夾方式如圖2所示。對圖中裝夾方式中的零件進行受力分析，由于中心架是限制零件的軸向移動，并且底盤與軌道進行固定，可視為固定鉸支座，得到了零件XZ和YZ兩個平面方向的受力分析圖，如圖3~4所示。其中MA為主軸箱傳來的扭矩，q為均布載荷重力，A點為三爪卡盤，B、C兩個點為中心架輔助，D點為裝夾的自由端，FP為刀具的徑向分力。

1.4刀具選擇

為了減小細長桿切削中產生的彎曲變形，就要求在車削過程中產生的切削力越小越好，為了減小刀具損壞，使刀具和鈦合金材料不發生親和，刀具材料選為不含鈦元素的硬質合金。而在刀具的選擇中，刀具的角度會直接影響細長桿的質量和斷屑的難易程度[11]。（1）前角（γ0）。前角的大小影響切削力、切削產生的振動以及零件表面的加工質量。使用較大的前角會降低切削力，減小加工過程中的振動，提高零件表面質量，但是過大的前角會讓刀頭和刀尖的強度降低，容易破壞刀具。其次，TC11鈦合金屬于難加工材料，難以斷屑，因此車刀的前刀面應有斷屑槽，附加負倒棱。（2）主偏角（Kr）。主偏角是主要影響刀具徑向力的因素，較大的主偏角會降低刀具的徑向力，減小細長桿的變形，不容易振動。并且小的刀尖圓弧半徑也會減小徑向分力。（3）刃傾角（λs）。刃傾角影響鐵屑的流向，正的刃傾角，鐵屑流向待加工表面；負的刃傾角，鐵屑會流向已加工表面。車削細長桿，應取正的刃傾角，并且較大的刃傾角，會增加實際的工作前角。（4）后角越大，刀具越鋒利，可降低工件與刀具的摩擦，提高工件表面的粗糙度，但是較大的后角同樣會使得刀具的強度降低，后角的大小一般為α0=α01=4°~60°。鈦合金屬于強度較高的材料，應選擇較小的后角。本次試驗采用機夾刀具，采用機夾式結構如圖6所示，方便更換磨損的刀片。為了加工出R38mm的圓角，采用了特制的一體化刀具如圖7所示。加工鈦合金材料刀片材料為YG8[12]，刀片型號為CCMT120404-SF刀尖角為80°，后角為7°，R=0.4mm的刀尖半徑，HQ型斷屑槽。1.5合理的切削用量選用切削用量是切削運動過程中的切削參數選擇，其中包括切削速度、進給量、背吃刀量。切削量選取的原則為：在能保證的尺寸精度的情況下，盡可能提高生產效率和降低成本。（1）背吃刀量（ap）。在刀具和機床確定前提下，切削深度增加，車削過程中的切削力會增大，并且過多的切削深度會產生大量的熱，容易引起切削變形。因而，在圖1的零件加工過程中盡可能減少背吃刀量，將粗加工時進刀的背吃刀量設為3mm、半精加工時為2mm、精加工時設為0.5mm。（2）進給量（f）。切屑厚度與進給量成正比，過大的進給量會增加切屑的厚度，增加切削力。精加工階段，進給量主要與表面的粗糙度有關。粗車用大的進給量0.15~0.20mm/r，精車用小的進給量0.08~0.10mm/r。（3）切削速度（υ）。普通車床的切削速度不會很大，不容易產生積屑瘤，對刀具的磨損度有利。對于細長桿來說，過高的切削速度，會增加離心力，加劇切削的振動。因此，車削中應該選擇較低的切削速度60~150r/min。1.6切削液的選擇切削液在車削過程中起到潤滑、防繡、降低刀具后刀面與工件的摩擦、減少切削熱的產生。故這里選用的切削液為COOlancutO-11加水稀釋而成，COOlancutO-11的典型數據如表2所示。

2試驗驗證

最后確定該零件的加工工藝方案為：粗車-半精車-精車-拋光。整個切削過程都采用切削液，帶走切削熱和潤滑已加工表面。粗車的切削參數為v=60r/min，f=0.1mm/r，ap=3mm；半精車v=80r/min，f=0.2mm/r，ap=2mm；半精車v=80r/min，f=0.2mm/r，ap=0.5mm。圖7所示為粗車加工，圖8所示為粗車切屑，圖9所示為半精加工。圖10所示為精車完成，圖11所示為拋光效果，圖12所示為加工完成。將最終加工出來的零件通過測量，檢驗產品是否合格。同軸度采用的量具為內徑百分表，粗糙度采用對比的方法，長度方向的尺寸用游標卡尺，外徑用外徑千分尺以及角度尺。測量報告如圖13所示。通過上述檢測報告以及實際加工情況可以看出，該細長桿加工工藝方案可行。

3結束語

本文在TC11鈦合金細長桿加工過程中，采用一端用三爪卡盤夾緊，另外一端用兩個中心架固定的裝夾方式。這種裝夾方式，普遍適用于大型零件的加工，減小了細長桿零件加工過程中的變形，保證了零件的同軸度，實現了軸的基準向圓柱外表面轉化的目的。整個試驗中，通過選取COOlancutO-11型號的切削液、YG8材料的刀片，解決了TC11這類難加工材料的切削性能差的問題。機夾式結構車刀，刀片更換方便，避免了細長桿在長時間加工過程中需要反復修磨刀刃，很大程度上提高了加工效率；特制的R38mm車刀，解決了普通車床中加工圓角難題。采用合理的加工工藝與粗精車切削用量，能夠使零件的外形尺寸精度和表面粗糙度達到要求。

作者：祝升亮 牛蕊東 單位：西安石油大學 機械工程學院