钛合金结构件复杂翼面铣削加工工艺研究

余大章

（南京航空航天大学公共实验教学部，江苏 南京 211108）

0 引言

钛合金材料作为一种轻合金材料，在航空航天领域应用广泛，具有比强度高、耐腐蚀、热能力优秀等特点[1-2]。但钛合金亦是一种典型的难加工材料，切削加工过程中切削温度高、回弹大，极易发生加工硬化，对切削刀具与切削工艺均提出了极高的要求[3]。本文针对航空航天钛合金结构件加工的工程问题，开展了切削刀具与切削工艺的研究，最终保证切削加工顺利完成。

1 加工对象与刀具选择

钛合金结构件翼面装配弧面及定位槽的铣削加工成型零件图如图1所示，加工材料为TC4钛合金。基于该结构件的复杂形状以及钛合金材料不佳的切削性能，对夹具系统做出了改进。在本文的工艺优化措施下，切削质量显著提高，且加工效率有效提升。

1.1 钛合金刀具材料的选择

钛合金切削加工过程具有如下特点：

（1）变形系数小。切屑在前刀面上具有较大的滑动摩擦的路程，导致刀具易磨损。

（2）切削温度高。钛合金导热系数小且切屑与前刀面的接触路径短，切削热容易在切削区和切削刃附近的一个较小区域内不断累积，使该区域温度保持在一个较高的程度。在其他切削条件不变的前提下，其切削温度可比45号钢高出一倍以上。

（3）工艺系统刚度要求高。切屑与前刀面之间的小距离接触使得单位切削力增大，更易出现崩刃现象。钛合金自身弹性模量也小，加工过程中回弹现象明显，不仅容易导致刀具进一步损耗，也容易出现振动现象，影响最终的加工质量，需要提高整个加工系统的刚度以抵抗变形。

（4）加工硬化明显。钛合金材料具有较高的活性，高切削温度下更是如此，其表面极易与空气反应形成各种硬脆层，而加工时的塑性形变会进一步导致表面的硬化。综合作用下，刀具寿命严重缩短，且最终加工件疲劳性能表现不佳。

（5）硬质合金刀具易磨损。硬质合金可用于加工钛合金材料，但是由于钛合金对硬质合金的化学亲和性强，在加工过程中形成的高温高压条件易使刀具出现粘结磨损问题。

针对钛合金结构件上述特点，切削刀具材料最终选用硬质合金或高速钢。根据刀具材料的不同，对具体工艺结构参数做出如下修正：硬质合金刀具，首先需要考虑切削工件与钛合金之间的亲和反应，故排除YT类硬质合金刀片，选择YG6类硬质合金刀片。另外，为提高切削刃强度和改善散热条件，铣刀前角γ控制在0°～5°，后角α控制在4°～10°，刀尖圆弧半径控制在0.5 mm。同时，硬质合金铣刀切削参数应按以下原则选用：切削速度选择Vc=60 m/min，进给量控制在Vf=130 mm/min。当选用高速钢刀具时，切削速度Vc=6～30 m/min，进给量控制在Vf=20～60 mm/min。冷却液使用大量的极压乳化液，具有润滑好、冷却效果佳的优点。

1.2 加工工艺过程

为提高整个夹具系统刚度，减小刀具的悬伸距离，以避免切削过程易产生的振动现象，最终工艺参数如表1所示。

表1 切削参数

2 改制刀具

2.1 硬质合金立铣刀的改制

按加工钛合金结构件翼面的弧面要求，翼面弧面与钛合金结构件外壳弧面相吻合（图1，R104.9）。传统加工手段为通用的卧式镗床，但生产效率偏低（每日仅能加工4～5件），难以满足目标基本生产需求[4]。本文提出了一种新的加工手段，选择铣削方法加工弧面R104.9，以铣代镗，最终加工效率提高了5倍以上。而该方法需要对铣刀做出优化改进，如图2所示，同时需要对工艺路线进行修正。

2.2 带柄硬质合金三面刃盘铣刀

翼面定位槽的加工，槽深21.1 mm，槽长280 mm，槽宽（6+0.075）mm，该槽用于翼面与钛合金结构件舱体的装配定位，须保证槽底尺寸R30[5]。为了满足加工要求，自制的带柄硬质合金三面刃铣刀如图3所示，刀柄直径16 mm，铣刀直径（60+0.2）mm，厚度5 mm，刀头的材料选择YG类，铣刀前角γ=3°，后角α=8°，刀尖圆弧半径为0.5 mm，最终满足了尺寸R30的精度要求。

3 自制夹具

由于翼面结构件的两侧面为两倾斜复杂型面，选用的常规夹具无法有效装夹，需要设计一款针对性的专用夹具。针对该现状，本文自制了专用夹具，如图4所示。

基本设计要求为：强度、刚度和稳定性均需要提升，以保证夹具系统在加工过程中可以承受较大的力[6]；进一步增大夹具系统的安装面，以周边接触作为最佳接触选择。适用于铣床的夹具为保持定位，会选取定位键与自身平台具有特定形状的槽进行配合。定向键与夹具体配合多采用H7/h6，定位键与特定形状槽（通常为T形槽）配合的部分预留出一定部分的余量进行修配，以保证最终的安装精度，或通过在夹具正常使用时，使定位键的某一面与平台特定形状槽接触，抵消安装间隙。铣床夹具通常配有特殊设计的耳座，以螺栓连接的方式保证整个加工系统的紧密连接[7-8]。加工工艺及切削参数如表2所示。

表2 加工工艺及切削参数

4 铣床调整、装夹校正后进行铣削加工

根据图纸中给出的指标，铣头与工作台面之间的不垂直度是影响最终加工件制造精度的一个关键因素。经测量，立铣头与工作台面不垂直度误差为0.1/300 mm。经计算调整后修正了立铣头角度，二者之间的不垂直度误差控制在0.02/300 mm以内。选用百分表校正图4中408 mm长底边的两端点，保证其平行于工作台面，安装4块压板后，最终工件保持紧密接触状态以进行铣削加工。加工过程中，采用杠杆表不断测量修正，使得6 mm槽与20 mm不对称度满足要求，控制在0.03 mm以内。槽宽和408 mm长底边基准面的不对称度数值达标后，最终加工的零件的实测值可达到图纸中给出的具体数值。

5 结语

目标零件存在较多的不规则结构，同时曲面的存在对装夹提出了更高的要求。根据图纸目标需求，公差标准要求高，而钛合金材料特殊的加工难点使得部分型腔结构难以加工，常规刀具无法使用。本文针对这些问题，对夹具进行了针对性优化设计，选择了合适的刀具材料并改进了刀具结构，最终对机床夹具和工艺路线进行调整后，实现了难加工型腔的顺利制造，同时精度公差指标亦满足图纸目标需求。针对传统方法加工效率低的问题，本文提出的以铣代镗的加工方法有效提高了加工效率。