钛合金零件车削方案优化及工时计算

吴必锋，蒋荣斌，王灵，韩瑜

贵州航宇科技发展股份有限公司 贵州贵阳 550081

1 序言

由于钛合金具有质量轻、无磁性及耐腐蚀等优良性能，因此在除航空航天工业以外的新能源领域的使用数量呈爆发式增长。但受切削加工困难、切削加工成本高、加工效率低及表面质量差等难题的影响，中型φ2700mm钛合金零件的机械加工初始时间单件为65～90h，加工周期长已成为企业的生产瓶颈。因产品交付周期短，故使得大量钛筒锻件需要委外加工，致使产品生产成本飙升，无法掌控。为解决钛合金切削难题，在保证加工质量的同时大幅度提高生产效率，通过加工工艺方案的优化，缩短加工时间，以实现生产效率最大化。

2 钛合金的特性

2.1 物理特性

钛合金是一种多晶型金属，在温度低于882℃时为α晶型，原子结构呈密排六方晶格；高于882℃直至熔点时都是β晶型，呈体心立方晶格。以TA1钛合金为例，其物理特性见表1。

表1 TA1钛合金的物理特性

2.2 切削加工性

1）切削温度高，属于难加工材料之一。钛合金在600℃以上切削时，与气体发生剧烈的化学反应，钛与氧、氮产生间隙固溶体，对刀具具有强烈的磨损作用。

2）钛合金的塑性比较低，切削加工时使前刀面上的应力增大，切削刃容易发生破损。

3）钛合金的弹性模量低，加工时弹性变形大，加工表面与后刀面的接触面积特别大，摩擦非常严重。

4）钛的亲和性强，在切削过程中，切屑及被切削表层与刀具材料咬合，产生严重的粘刀现象，容易引起刀具的剧烈粘结磨损。

5）表层硬化严重。加工钛合金时，除了塑性变形导致的表层硬化外，由于钛元素的化学活性大，易与各种气体杂质产生强烈的化学反应而形成表面变质污染层，从而导致表层硬化。

3 刀具的选择

目前国内外用于切削的主要有硬质合金刀具、涂层刀具、聚晶金刚石刀具、陶瓷刀和立方氮化硼刀具等。根据钛合金热导率、比热容高，易产生积屑瘤，弹性模量低以及回弹性大的加工特点，在锻件粗车削时，应选用抗冲击性较强的YG8硬质合金刀具。YG8硬质合金刀具一般用于加工切屑呈崩碎状的脆性材料，适用于粗加工和断续切削。精车削时，选用涂层硬质合金刀片（如WNMG080408MS）。涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上涂履一层或多层耐磨性好的难熔化合物，使刀具具有高的韧性、很高的硬度和耐磨性，其力学和切削性能好，通用性强，使用寿命比未涂层刀具高2～5倍。同时为了改善刀具的散热条件和增强切削刃强度，刀具前角一般取5°～9°；为了克服因回弹而造成的摩擦，刀具后角一般取10°～15°[1，2]。

4 车削加工工艺方案

通过对零件的结构及加工难度进行分析，拟定如下加工工艺方案[3]。

1）设计合理的工艺夹台。

2）压紧工艺夹台，将锻件表面机械加工至90%以上见光，去除锻件氧化皮、连皮等缺陷。

3）对零件进行粗加工和半精加工，采用对称加工（内外径切削深度均等）方式，使相对的两个面应力均衡抵消，单边留1mm加工余量。

4）为保证零件内外径同轴度等几何公差，采用一次性装夹精车削一端面、内径及部分外型面。

5）调头用铜垫片或软爪装夹外径，精车削另一端面及剩余外型面，完成零件的加工。

注意事项：1）、2）工步选用钨钴类硬质合金刀具，采用较低的切削速度、较大的切削深度和进给量进行切削加工；3）、4）和5）工步选用涂层硬质合金刀具，采用较高的切削速度、适中的切削深度和进给量进行切削加工。较高速切削加工适用于工件的粗加工、半精加工及精加工，切削速度一般控制在58～110m/min，具有工件温升小、减小工件热变形、切削力较低、材料切除率高及加工表面质量高等优点，更好地保证了锻件的表面粗糙度及尺寸精度要求。

5 加工参数的选择

通过钛合金的切削特性及对刀具材料的选择可知，由于切削钛合金时，切削温度高，刀具寿命低，切削用量中切削速度对切削温度的影响最大，因此应该力求使所选择的切削速度下产生的切削温度接近最佳范围[4，5]。

（1）切削速度vc切削速度对刀具寿命影响最大，最好能使刀具在相对磨损最小的最佳切削速度下工作。切削不同牌号的钛合金材料时，由于材料强度差别较大，因此应适当调整切削速度。切削深度对切削速度也有一定的影响，应根据不同的切削深度来确定切削速度。不同钛合金材料的切削速度校正系数见表2，不同切削深度的切削速度校正系数见表3。

表2 不同钛合金材料的切削速度校正系数

表3 不同切削深度的切削速度校正系数

（2）进给量f进给量对刀具寿命的影响较小，在保证加工表面质量的情况下，可选用较大的进给量，一般取0.1～0.4mm/r。由于若进给量太小，则刀具是在硬化层内切削，增加了刀具磨损，同时极薄的切屑在高的切削温度下容易自燃，因此不允许进给量过小。

（3）切削深度 切削深度对刀具寿命的影响最小，一般选用较大的切削深度，这样不仅可以避免刀尖在硬化层内切削，减少刀具磨损，而且可以增加切削刃工作长度，有利于散热。一般切削深度为1～5mm。钛合金的常规切削用量见表4，其中工件硬度“软”的材料牌号为TA1～TA7；硬度“中”的为T A8、T C3～T C8；硬度“硬”的为T C9、TC10、TB1和TB2。

表4 钛合金的常规切削用量

6 加工工时的计算方法

1）主轴转速n的计算公式为

式中，n为主轴转速（r/min）；vc为切削速度（m/min）；d为加工前零件直径（mm）。

2）零件各工步加工时间计算公式[6，7]为

式中，t为加工时间（h）；L为加工长度（mm）；vf为进给速度（mm/min）；n为主轴转速（r/min）；c为加工次数，若是切槽，则c＝零件槽高度/（切槽刀宽度×0.6）；m1为不同钛合金材料的切削速度校正系数；m2为不同切削深度的切削速度校正系数。

3）零件总加工时间计算公式为

式中，tr为总加工时间（h）；t1，t2，…，tn分别为各工步的加工时间（h）。

7 TA1钛合金典型零件车削加工工时

7.1 矩形工件

1）在工件下端面留10mm工艺压台，内外径按单边留余量≥3mm进行粗车削（见图1），去除锻件氧化皮至锻件表面90%以上见光即可。将各参数代入式（2），计算可得t1为7.23～16.3h。

图1 矩形工件粗车削

2）压紧工艺压台，对工件进行精车削一端面，如图2所示。将各参数代入式（2），计算可得t2为22.72～44.71h。

图2 矩形工件精车削一端面

3）调头用铜垫片或软爪装夹外径，精车削另一端面及剩余外型面（见图3），完成零件的加工。将各参数代入式（2），计算可得t3为1.09～2.51h。

由式（3）计算可得tr为31.04～63.52h。由此可知，矩形工件加工时间可以达到最小目标值trmin＝31.04h。

7.2 异形工件

1）机械加工工艺压台如图4所示。经计算可得切削加工工时为t1＝t1切槽＋t1平端面＝4.22h。

图4 机械加工工艺压台

2）调头装夹，压紧工艺压台，内外径按单边留余量≥3mm进行粗车削（见图5），去除锻件氧化皮至锻件表面90%以上见光即可。经计算可得t2为7.8～17.59h。

图5 异形工件粗车削

3）松开卡爪，重新找正，压紧工艺压台，精车削内外径（见图6）。经计算可得t3为29.74～56.25h。

图6 异形工件精车削内外径

4）调头用铜垫片或软爪装夹外径，精车削另一端面及剩余外型面（见图7），完成零件的加工。经计算可得t4为4.13～8.12h。

图7 异形工件精车削另一端面

由式（3）计算可得tr为45.89～86.18h。由此可知，异形工件加工时间可以达到最小目标值trmin＝45.89h。

8 重要改进措施

1）根据钛合金产品的结构特点，设计工艺压台，分为粗、精车削进行加工，合理分配加工余量，确保粗车削后，精车削时零件变形量受控，垂直度、圆度和同轴度同时满足≤0.5mm的要求。

2）根据对应的钛合金材料的切削加工特性，正确选择加工刀具及加工参数。

3）根据锻件的形状、尺寸，制定合理的机械加工工艺方案。例如在前述矩形和异形工件的加工方案中：①在粗加工1工序，为达到大进给量和大切削深度，快速去除锻件余量，使金属切除率最高，选用钨钴类硬质合金刀具（如YG8），采用常规切削法，切削速度vc为25～36m/min，进给量f为0.25～0.45mm/r，切削深度为5～6.3mm，粗车削去除锻件氧化皮至锻件表面90%以上见光。②在粗加工2、3工序，选用涂层硬质合金刀具（如MWLNL、WNMG），采用较高速切削法，切削速度vc为40～110m/min，进给量f为0.08～0.3mm/r，切削深度为0.7～3mm，进行半精车削及精车削，保证零件机械加工后几何公差的一致性和表面质量要求。

4）锻坯热处理前后，通过热胀形工艺保证毛坯内外径圆度控制在≤6mm，确保粗车削第一刀后，锻坯内外径90%以上见光，降低后续半精车削时的刀尖磨损。

5）该方案需在后续的实际生产加工中多次进行测试和验证，通过持续改进与优化机械加工工艺参数，达成最小切削时间目标。

9 结束语

基于钛合金零件机械加工工艺进行优化创新，将刀具材料、工件的装夹方式及切削用量等要素结合起来合理设计，通过典型钛合金零件车削工时的计算，形成一套完整的切削参数和工时计算方法。此工艺方案有效地解决了钛合金零件加工成本高及加工效率低的问题，实现了钛合金零件机械加工降本增效的目标。