钛合金深孔薄壁件加工方法研究

姜忠平，姜忠林，丁李杰

（中航工业航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003）

钛合金深孔薄壁件加工方法研究

姜忠平，姜忠林，丁李杰

（中航工业航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003）

本文详细阐述了钛合金深孔薄壁件加工过程中的加工要点。钛合金属于难加工材料，若是深孔薄壁件，具备较大的长径比，便会使得机械加工难度增大。此类零件除要解决设备、工装、夹具之外，还需掌握机械加工的技巧、刀具角度的设计、刃磨以及刀具材料的选择。

钛合金；深孔；薄壁件；超精加工；外形加工

1 零件加工难点

零件材料为钛合金TC4，属于难加工材料，在加工过程中，主要有以下难点：

（1）TC4钛合金材料具有α和β双向组织，其特点是具有较高的常温及高温强度，塑性及韧性良好，热处理强化后机械加工更困难；

（2）导热性差。钛合金导热系数特别小，仅为45#钢的1/6～1/7，铝的1/14，而且密度低，比热小，切削时热量集中在切削刃附近，刃区温度极高，刀具磨损迅速；

（3）钛合金TC4材料与刀具材料的化学亲和力大，由于刀具切削温度高等原因，使切削时粘刀现象严重，在切削过程中会导致粘结磨损及扩散磨损严重；

（4）钛合金弹性模量小，约为45#钢的1/2，故后刀面处的工件弹性恢复大，摩擦严重，同时，工件也容易发生装夹变形，切削变形系数接近于1，因此切削在前刀面滑动摩擦路程大大增加，加速刀具磨损；

（5）钛合金TC4材料化学活性大，易产生表面变质污染层，如硬化层、脆化层等，使组织不均匀，严重磨损刀具，产生缺口、崩刃、剥落；

（6）由于刀具与切削的接触长度短，使单位接触面积上的切削力大大增加，容易崩刀；

（7）热处理状态为σb≥1050MPa；

（8）该零件长1020mm，内孔为Φ30mm，内孔表面粗糙度Ra=0.08，外形为多台阶、沟槽、螺纹，最薄处为2.5mm，属于典型的深孔薄壁件。

2 深孔加工方法

目前，加工深孔的常用方法是推镗、推铰。如按常规方法，按照钛合金的特殊性能和加工特性，以及材料力学弯曲变形原理，镗刀杆的挠曲变形将难以克服。如果刀杆挠曲变形无法控制，即深孔的尺寸精度、表面粗糙度和内孔直线度就无法保证。结合多年深孔加工经验，采用了将推镗、推铰改为拉镗、拉铰的加工方法。

采用拉镗、拉铰的加工方法，使刀杆始终处于受拉状态，刀杆在受到径向力切削时，不会产生弯曲变形，这就保证了深孔加工的直线度。在拉镗、拉铰之前，工件必须车引导孔，这样能使镗刀顺利进入工件引导孔，引导初始阶段的切削。

拉镗刀数可根据加工余量而定，一般为二至四刀，根据加工余量，分两刀拉镗，一刀拉铰。第一刀拉镗：粗镗孔。单边去掉余量1.5mm，通过较大切削深度去除前一道工序钻孔时留下的表面氧化皮和硬化层；同时，对孔的直线度进行基础较直，切削参数：v=128转/分，s=0.15mm，流量为180L/mm。第二刀拉镗：精镗孔。单边去掉余量1.25mm，通过精镗孔对孔的直线度进行第二次精确修正较直，并提高表面粗糙度；切削参数v=128转/分，s=0.1mm，流量为180L/mm。第三刀拉铰：精拉铰。单边去掉余量0.2～0.3mm，通过精铰孔达到了尺寸精度，并提高了内孔表面粗糙度对孔的直线度更进一步的精确较直；v=81转/分，s=0.06mm，流量为180L/mm。

拉镗、拉铰后，内孔尺寸精度达到了技术要求，表面粗糙度为Ra=0.08，使用专用直线规检测，内孔直线度可以达到0.1mm。

3 刀具材料、结构和冷却润滑

刀具材料应尽可能采用硬质合金刀具，并选用与钛合金亲和力较小的YG类超细颗粒硬质合金（如YG6X、YG8W、YG8、YG10H等）；拉镗刀、拉铰刀体为精铸件，刀片材料为硬质合金YG8W，以铜焊接而成，YG8W硬质合金具有很高的红硬性和耐磨性，也具有很高的抗弯强度和韧性，它适合于加工钛合金这种难加工材料，使用YG8W硬质合金材料可明显提高刀具的使用寿命和提高生产效率。

刀具选择方面，拉镗刀采用四齿均布180°对称中心刀具。这样在拉镗中可使切削力均匀对称分布，可很好的消除振动。其主要几何参数：γo=5°，α=10°-15°，xγ=30°-45°，γε=0.5-1.0mm。

此外，刀具的前后刀面应有较高的光洁度，应不低于Ra=0.04mm。拉铰刀采用八齿两两对应齿，对称中心不均布角度刀具，这种刀具可以起着很好的消振作用，其主要几何参数如图1所示，其中，γo=0°-5°，α=8°-10°，导向角度=30°×5mm。

图1 八齿拉铰刀（图中直线代表刀具的切削刃）

冷却润滑油应采用专用深孔极压切削油。它有着较好的冷却、清洗、润滑作用，并具有更高的耐热、耐压性能，在拉镗、拉铰时使零件、刀具得到充分的冷却润滑，能有效地降低零件、刀具的温度。

4 超精加工：珩磨

珩磨是低速磨削的一种精加工方法。工件安装在主轴夹具中，珩磨头由机床尾部的变速箱带动旋转，液压油缸推动作往复运动，珩磨头上的油石以一定的压力压在工件被加工表面上，在珩磨头运动时从工件表面上切去极薄一层金属。油石在工件表面上的切削轨迹是交叉而又不相重复的网纹。

珩磨过程中的径向进给是通过珩磨头上的油石径向扩张来实现的，珩磨过程中，珩磨油石始终以恒定的压力压向孔壁，在定压下被加工金属的磨去量和油石的磨耗量随磨削时间的延长而逐渐减少，而表面光洁度随时间的延长而逐渐改善。采用定压进给时，前阶段主要是切除余量，后阶段主要是提高被珩磨零件表面光洁度。

根据定压进给的特征，本人在操作过程中同时也采用了低压—高压—低压三个阶段进给完成珩磨超精加工。当磨头刚进入被加工孔时，以低压进给接触工件，可避免损坏珩磨头，在磨削一定时间后即升压（也可逐渐升压），用高压切除大部分余量，在磨削余量剩下很少时又降低压力，用最后的低压提高孔的精度及表面光洁度。经检验计量光洁度在Ra=0.8，珩磨的同时应保证有足够量大的珩磨油，起到有效的流动，冷却和清洗作用。

5 外形加工

某钛合金零件是典型的薄壁、细长轴、多台阶、沟槽、螺纹与一身的综合性零件。内孔加工达到了技术要求之后，对外形的加工不可忽视，因为工件的最终壁厚很薄，最薄处为2.5mm，对设备、刀具、工装夹具都有很高的要求。本文采用的是C6150普通精密车床，刀具选用YG8硬质合金刀片，工装采用一根同轴度、直线度很高的芯轴，配合机床附件中心架来完成的。

加工准备与合理操作：调整机床尾座与主轴等高（0.01mm），利用心轴找正圆跳动（↗0.01mm），并调整尾座与主轴的锥度，同时，采用刻线法，将台阶位置刻出，做好粗定位基准。最后，选择合理的切削参数：v=200转/分，s=0.142mm，最后一刀t=0.1-0.3mm；刀具选择：90°偏刀、45°偏刀、R2.5车刀、60°尖刀，如图2所示。

图2 操作所需刀具

6 结束语

综上所述，钛合金深孔薄壁件的加工要注意：首先，选择较高精度机床，提高机床、刀具、夹具、零件这一系统的刚性；其次，选择如钨钴类硬质合金一类的对口刀具材料，刀具的形状和几何角度上，尽量选用多吃对称刀具；同时，认真刃磨刀具各角度和切削刃部的光洁度；此外，注意选择合理对应钛合金的冷却润滑液，以提高刀具的使用寿命。

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