机床大讲堂第23讲——钛合金TC11精密切削加工工艺研究

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钛合金TC11精密切削加工工艺研究

　　钛合金具有密度小，强度高，比强度大于超高强度钢;而且热稳定性、抗腐蚀性好，高温强度高;在300～500℃温度下，其强度约比铝合金高10倍等特点，现已广泛应用于航天、航空及导弹发动机产品上。特别是(α+β)钛合金能进行淬火、时效使合金强化，热处理后的强度比退火状态提高50%～100%。并且具有良好低温韧性以及良好的抗海水腐蚀、抗热盐应力腐蚀能力，运用的更加广泛。

　　但是，由于钛合金具有切削变形系数小(变形系数小于或接近1)，切削加工过程切屑在前刀面上滑动摩擦的路程增大，加速刀具摩损;同时切削温度高，切削力大，易产生表面变质污染层，因为钛的化学活性大，易与各种气体杂质产生强烈的化学反应，如O、N、H、C等侵入钛合金的切削表层，导致表层的硬度及脆性上升。其他尚有TCi、TiN硬质表层的形成;在高温时形成表层组织α化层以及氢脆层等表面变质污染层。造成表层组织不均，产生局部应力集中，降低了零件的疲劳强度，切削过程也严重损伤刀具，产生缺口、崩刃、剥落等现象;亲和性大，切削时，钛屑及被切表层易与刀具材料咬合，产生严重的粘刀现象，引起剧烈的粘结磨损;而且钛合金组织不够稳定等缺陷，给切削加工特别是精密切削加工带来很多困难，所以又称之为难加工金属。因此，对钛合金精密切削加工的工艺研究，是一个亟需解决的问题。

　　尾管壳体(如图1所示)是笔者厂里某产品中一个关健性能零件,由于在工作状态时必须承受高温高压，其机械性能要求为抗拉强度Rm≥1030MPa，延伸率A≥9，为满足其性能要求，产品设计上采用钛合金TC11制作，是一种典型的薄壁轴类管状零件。通过对其精密切削加工工艺的优化设计，实现了钛合金TC11精密切削加工。

　　1 钛合金TC11切削加工特点

　　TC11钛合金是属于(α+β)型Ti合金。其组织由密排六方结构α相和体心立方结构的β相构成，相对其他金属，织构更加明显，各向异性更强，这给钛合金的生产和加工带来较大的困难。其切削加工过程特点如下：

　　(1)切削力大、切削温度高。由于钛合金密度小，强度高，切削进给切应力大,塑性变形功大,因而切削力大、切削温度高。

　　(2)加工硬化严重。钛合金加工硬化的原因除塑性变形外，还因钛在高的切削温度下吸入氧、氮，产生间隙固溶以及高硬度质点对刀具的摩擦作用强烈所致。

　　(3)容易粘刀。钛合金在高温下化学亲和力强，加之大的切削力，更促进了刀具的粘结磨损。

　　(4)刀具磨损较为剧烈。边界磨损是切削钛合金时刀具磨损的显著特点。

　　2 工件分析

　　3 工艺方案

　　3.1 工艺路线

　　工艺路线的制定以“先粗后精，先内后外”，减小精加工时的变形，提高加工精度为原则。在前期的试制过程中，工艺路线为：下料、车长度、粗车外形、钻孔、粗镗孔、精车内形、精车外形。

　　由于钛合金导热性差，密度及比热均小，切削温度高;且与刀具化学亲和力强，容易粘刀而使切削困难。试验证明，钛合金的强度愈大，其切削加工性愈差。所以在加工过程必须选用与钛合金化学亲和性小、导热性好、强度高的钨钴类硬质合金。

　　粗车采用YG8、半精车采用YG6、精车采用YG3X。钻孔采用硬质合金麻花钻(焊YG6硬质合金)。

　　3.2 存在问题

　　(1)采用硬质合金麻花钻钻孔时，切削温度相当高，钻头磨损严重，而且加工过程热应力增加，直接影响到后续精加工的精度。

　　(2)工件变形大，机加尺寸难以控制。

　　(3)同轴度超差情况严重，工件合格率低，平均合格率只有50%。

　　(4)生产效率不高，刀具磨损较大，生产成本较大。

　　3.3 解决方案

　　3.3.1 重新选择合理的刀具

　　经过对材料及加工过程的研究，决定采用肯纳HTS-C机夹式钻头(喷吸钻)进行钻孔;该钻头能提供强有力的冷却，并配备可转位PVD涂层整体硬质合金刀片和排屑槽及硬质合金导向钻。经过实验，该钻头选用专门加工难加工材料的KC720和KC7215刀片(内外侧刀片)，对钛合金进行钻削，生产效率提高60%，而且钻削后的工件不发热、不变形，对后续加工没有应力影响，对周围环境不产生污染，如图2。

　　3.3.2 变形原因分析及对策

　　机加过程产生变形的主要原因是由于钛合金组织应力而造成。在前期的试制过程中,虽然工艺采取了先粗后精，先内后外的加工工艺,但是没有充分考虑钛合金组织不稳定的因素,造成了机加过程工件变形,尺寸难以控制的现象。如何减小钛合金机加过程的变形控制为最小,是一个难题。

　　经过反复试验,我们在工件粗加工后增加一道时效退火工序。在不降低工件机械性能的前提下，通过细化晶粒，从而达到细化组织，消除内应力，使其组织达到稳定状态。

　　热处理规范如下：时效温度530℃，保温时间4～6h。保证Rm≥1030MPa，A≥9%。经过多个批次的试验，其抗拉强度Rm普遍高于1030MPa，延伸率A全部大于9%。

　　3.3.3 同轴度超差原因及对策

　　针对同轴度超差而造成的工件合格率不高的情况，通过对工件材料及加工工艺进一步分析发现：工件为管状薄壁件，属于典型的易变形难加工金属，只有提高整个工艺系统刚度才能有效地解决其加工问题。

　　(1)在内孔加工时，采取了合理设置工艺台阶法，以具有一定刚性的工艺台阶作为工件的装夹、定位基准，有效地解决了加工内孔变形问题，见图3。

　　(2)在进行外圆加工时，采取了填充防振物机械加工方法，即在工件半精车外形工序时，夹持部位填充硬性垫块，防止工件变形;在工件的内孔中填充软性橡胶管或发泡材料，使其在加工过程与其内壁贴合一体，从而达到增加工件刚性的作用，见图4。

　　(3)为保证工件的同轴度要求，在最后一道精车外形工序时设计了一套过定位夹具，用来提高工件的刚性，见图5。

从而造成工件的同轴度超差。所以在夹具的设计上，为保证工件的刚性采用过定位装置，既将工件的全部内孔作为定位基准，虽然在理论上产生过定位现象，但在实际运用上，则完全满足了工件的需要。见图6所示。

　　根据上述TC11钛合金在切削过程中表现出的特征以及该合金难以切削的机理，结合生产实践中难加工材料的加工方法和经验，重新制定了切削加工工艺路线如下：下料——平端面——钻孔——粗车内、外圆——时效及机械性能检验——车基准——半精车小头内孔，半精车大头内孔——精车内形——半精车外形——平总长、精车小端——精车外形。

　　采用此工艺方法加工的钛合金零件尾管壳体完全符合设计要求，零件合格率达98%以上。有效地解决了钛合金的精密切削加工变形问题。

　　4 结语

　　钛合金的切削性很差，如何改善和提高其切削性是个难题。本文通过对钛合金零件尾管壳体的切削工艺方法分析，实现了钛合金零件的精密切削加工，有效解决了钛合金TC11薄壁筒形零件车削变形、刀具磨损等加工难点。对于薄壁钛合金零件的加工工艺有了进一步的认识和了解，为今后钛合金零件的加工积累了一定的经验。

作者：常海等