征文钛合金零件的加工工艺系统研究与应用

1、2012年PLM征文：钛合金零件的加工工艺系统研究与应用发表时间：2012/10/30 特约撰稿人： 陈思涛 来源：e-works关键字：钛合金 自制夹具 几何参数 切削参数信息化调查找茬投稿收藏评论好文推荐打印社区分享本文通过对该零件的加工改进，对高新材料钛合金的材料特性进行分析和加工难点进行分析，从改进工艺方法，设计专用钻夹，和提高钻头强度，耐用度，选择合理的刀具参数，切削用量，对该类钛合金零件进行探索，攻克现难题，寻求先进的工艺加工方法，从而提高产品质量和生产效率。2012产品创新数字化峰会有奖征文火热进行中0 前言 随着航空工业的飞速发展 ，目前我公司在生产中采用了大量的高新技术和高新

2、材料，特别是在A320的加工中各种新材料，新零件不断增加。在加工中，如高硬度零件、高新材料零件，当钳工因材料，刀具，精度无法保证零件精度要求时，严重影响了科研生产的顺利进行。随着对高新材料广泛应用，结合现有设备和工艺，采用现有的刀具材料，采用新的加工工艺方法在机械加工中得到了充分利用。通过摸索在现有的生产条件下也产生了许多新的加工工艺和加工方法，通过改进不仅能提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能够降低工人的劳动强度和加工时间，使此类零件加工时的技术难题有了解决的办法。1 零件的结构及加工难点 1.1 零件现状分析 此零件为空客某机型零件，此零件从外形结构来看，加工并不复杂，零件外形

3、及主要加工尺寸如图1所示。零件的材料，图纸上规定为T-A6V(退火) ASNA3304，也就是我们常常所说的TC4材料。点击图片查看大图 图1 零件外形及主要加工尺寸 根据前面对零件的分析，可以知道此零件的加工难点主要有以下几点： 材料为难加工的钛合金T-A6V； 零件的位置度要求高，与底面垂直度、孔的位置度均要求为0.05mm； 两孔之间的孔间距离公差要求严格，要求为±0.05mm； 孔本身的精度要求高，均为7级精度，分别为9.525H7（0.015/0）、6.5H7（0.015/0）。 1.2 材料特性分析 钛合金是一种典型的难加工材料，其比强度高、导热性差、加工硬化严重；由于其

4、化学活性大，在一定温度下与周围介质容易发生化学反应，产生脆而硬的外皮，加工时塑性和冲击韧性剧烈下降，刀具磨损和破损严重、耐用度低，加工精度和表面质量难以保证，加工效率很低。 钛合金的诸多性能中导热系数、弹性模量、加工硬化、化学活性及合金类型和显微组织等起到了主要作用，所以钛合金的切削加工存在着以下一些限制： (1)钛合金的导热率低，约为铁的1/3，阻碍了机加工过程中所产生热量的散发，且其比热低，使得切削区温升过快，在600以上时表面形成氧化硬层从而加速刀具的磨损； (2)钛合金的弹性模量低，使已加工表面容易产生极大的网弹，特别是薄壁零件的加工回弹更为严重，易引起后刀面与已加工表面产生强烈摩擦，

5、从而磨损刀具和崩刃。而且在回弹力的作用下会引起零件在机加工过程中偏离刀具。 (3)钛合金的硬度较低、化学活性很强，导致钛与刀具之问的产生咬合。且高温下钛极易与氧、氢、氮发生作用，使其硬度增加，塑性下降，在加热和锻造过程中形成的富氧层的机械加工困难。 1.3 传统的加工工艺 由于我单位的钛合金零件少，因而缺少对材料、相应加工工艺性等的研究，采用传统的加工方法，如图1所示的零件，加工9.525H7（0.015/0）、6.5H7（0.015/0）两孔由钳工依靠拼装钻模来加工，并保证相应的尺寸要求。由于拼装夹具具有99%的通用性和可互换性，给组合拼装夹具也带来了一些弊端。由于此类零件的材料加工性能极差

6、，而组合拼装钻模是由多块零件组合而成，造成此类夹具刚性差，加工时，拼装夹具间的各组件会产生微小的相对位移，从而零件的相对位置度很保证。并且此组合夹具的死角较多，铁屑不易清理，排屑困难，也是造成零件超差报废的一个重要原因。 针对上述问题，本文紧密结合此钛合金零件的生产，着重研究和探讨钛合金材料的加工工艺方法和实用技术，其中包括专用夹具的设计，刀具几何形状的合理选择、切削参数优化等。2 专用夹具的设计 为了改善零件质量状况，提高生产率，解决我分厂在钛合金零件上的加工瓶颈，对加工工艺方法进行了如下的改进。 根据零件特点，自行设计制造了专用钻夹。自制钻夹以保证加工零件的形位公差精度，提高加工夹具刚性，

7、提高装夹速度为主要目的。 为了使装夹速度提高，在设计夹具时考虑的夹紧与定位必须简洁可靠，因此采用了两面一销的定位方式；为了保证加工零件的形位公差精度要求，夹具定位基准必须与零件的设计基准相重合；要提高加工夹具的刚性，在设计此夹具时，采用了整体结构形式，且加工零件时的钻、铰刀也要尽可能的靠近零件和夹具体。设计的钻夹如图2所示：点击图片查看大图 图2 设计好的夹具 该夹具选用的材料为30CrMnSiA，夹具采用长宽高为100×75×60的方形钢板，中间铣出48×27的槽而制成。零件安装在槽的中间，利用压板和螺钉夹紧工件，在钻夹上按图纸尺寸要求制出两个外径为18(+0.

8、02/0)的孔，并制外径18(0/-0.01)内径分别为9.2、9.4、9.53、6.26.4、6.5的六件钻套，使其在一次装夹的情况下只需更快速更换钻套就能完成两孔的粗钻、粗铰、精铰工序，保证零件尺寸要求。该钻夹的特点是装夹次数少，避免零件因多次装夹所产生的定位误差，难于保证零件尺寸、位置度等要求，同时节省了辅助加工时间，提高了生产效率。3 刀具的几何参数分析与改进 钛合金的加工特性决定了传统的标准麻花钻头钻削加工钛合金时存在许多问题，主要从以下几个方面进行改进： (a)钻头顶角小，切削刃长，切下的切屑宽，因而钻头扭矩大，轴向抗力也大。同时，切屑卷曲成螺旋状程度大，切屑所占的空间也大，排屑不

9、顺畅，影响冷却。 钻头顶角决定切屑宽度和钻头前角的大小。当钻头直径和进给量一定时，增大顶角，则切屑变窄，单位切屑刃上的负荷减轻。同时，钻头外圆处的刀尖角减小。减小了刀尖角的磨损速度，同时有利于散热，耐用度也得到提高。顶角对前角有很大影响，相应增大顶角有利于改善钻心处的切削条件。顶角影响切屑流出的方向。顶角较大，切屑卷曲成螺旋的程度减小，且比较平直，容易排除，即提高了排屑性能。通过分析试验，加工钛合金时，采取增大钻头顶角的方法，一般顶角的取值范围是135°140°时钻削效果较好。 (b)钻头钻心厚度小。由于钻削加工钛合金时钻头承受很大扭矩和轴向抗力。钻心厚度小，则钻头强度低，

10、特别是小直径钻头，钻头易发生折断，需增大钻心厚度以提高钻头强度。所以要适当增加钻心厚度。钻心厚度一般为K=(0.45-0.32)D式中，K为钻心厚度，D为钻头直径。 (c)钻头螺旋角小。螺旋角直接影响主切削刃的前角。螺旋角越大，则刃口越锋利，切削越轻快，否则会造成严重的加工硬化现象使得刀刃很快磨损。由麻花钻的外形特点可知切削刃上各点螺旋角是变化的。越靠近外圆处螺旋角越大，前角也越大，切削刃越锋利，切削性能越好。而靠近钻心处螺旋角最小，切削性能最差，可以将此处磨成球圆弧状，以改善切削条件。随螺旋角增加，切削刃强度减弱，磨损快，甚至会发生切削刃烧毁等现象。因此合理选择螺旋角，以适合钛合金钻削加工成

11、为关键问题。 (d)钻头外缘处后角小，影响钻心处切削刃的前角。钻头切削刃各点上的后角也是不等的，愈接近中心，其后角愈大。因此，钻头后角的标注和要求，都以钻头外缘处为准，增大钻头外缘处后角，可以使切削刃锋利，改善切削性能，特别是对钻心处的钻削加工有明显改善。因此，适当的改进钻头几何参数，以适合钛合金钻削加工十分重要。(e)钻头的选择：直径大于5mm的钻头，最好选用硬质合金YG8作为刀具材料；加工小于5mm的孔时，可用硬度大于63HRC的高速钢钻头（如M42或B201；当孔深小于直径两倍时，采用斜槽（短型）的钻头；当孔深大于直径两倍时，采用麻花钻头。钻头的几何参数：0°3°，c

12、=13°15°，2120°130°。 为了易于形成切屑、减少磨擦并改善钻头的切削能力，可根据钻头直径减少导向刃带的宽度至0.10.3mm，修磨横刃到0.1D，并双重刃磨顶角2120°130°，270°80°。如表1列出了双重锋角式钻头的几何参数，图3是一种钻削钛合金的典型双重锋角式钻头。点击图片查看大图 图3 双重锋角式钻头 表1 双重锋角式钻头几何参数点击图片查看大图4 切削用量的选择 选取适当的进给量在钛合金加工中也很重要。在钛合金的钻削过程中，应采用较低的切削速度，以免切削温度过高；进给量应适中，进给量过大易引起刀刃烧伤。根据实践经验，通常