摘要：鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐高溫等優(yōu)良特性， 在航空航天以及其他方面得到廣泛的應(yīng)用， 但由于其加工難度大、切削效率低、刀具壽命短而影響了它的應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)鈦合金材料的特性及切削性能的分析，通過(guò)生產(chǎn)中的實(shí)例，對(duì)其車削和銑削工藝方法進(jìn)行了工藝研究，同時(shí)對(duì)不同批次的材料加工的零件，出現(xiàn)色差的問(wèn)題進(jìn)行了分析。

　　關(guān)鍵詞：鈦合金 實(shí)例 色差分析

　　1、引言

　　鈦合金是一種典型的難加工材料，其加工特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　（1）鈦合金強(qiáng)度高，硬度大，所以要求加工設(shè)備功率大，刀具應(yīng)有較高的強(qiáng)度和硬度。

　　（2）切屑與前刀面接觸面積小，刀尖應(yīng)力大。

　　（3）鈦合金摩擦因素大，導(dǎo)熱系數(shù)低。刀具與切屑的接觸長(zhǎng)度短，切削熱積聚于切削刃附近的小面積內(nèi)而不易散發(fā)。這些因素使得鈦合金的切削溫度很高，造成刀具磨損加快，并影響加工質(zhì)量。

　　（4）由于鈦合金彈性模量低，切削加工時(shí)工件回彈大，容易造成刀具后刀面磨損的加劇和工件變形。

　　（5）鈦合金高溫時(shí)化學(xué)活性很高，容易與空氣中的氫氧等氣體雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硬化層，進(jìn)一步加劇了刀具的磨損。

　　（6）鈦合金切削加工中，工件材料極易與刀具表面黏結(jié)，加上很高的切削溫度，所以刀具容易產(chǎn)生擴(kuò)散磨損和黏結(jié)磨損。

　　2.1 管類零件的加工工藝

　　圖1是某管類零件的結(jié)構(gòu)圖，該零件的材料選用的是TA2 M的鈦合金鋼管。材料規(guī)格是φ63×3.5×130，每根坯料可做一件。

　　在加工過(guò)程中，根據(jù)該零件的要求，用車削和銑削的方法即可完成。其加工的工藝規(guī)程如圖2所示。

　　零件最后成型屬于薄壁零件，在進(jìn)行加工時(shí)，為了保證零件的幾何尺寸滿足使用要求，加工時(shí)不變形。所以，車削和銑削時(shí)都要用芯棒裝夾。而銑削時(shí)是第二次裝夾，為了減小銑削后的接刀痕，在進(jìn)行芯棒裝夾時(shí)，其間隙應(yīng)盡量的小。銑削完成后，用銼刀和砂皮將接刀痕打掉。

　　2.2 刀具材料的選擇

　　加工鈦合金的刀具材料應(yīng)具備如下性能： 高溫狀態(tài)下的化學(xué)穩(wěn)定性；足夠的強(qiáng)度和韌性； 良好的熱傳導(dǎo)性。加工鈦合金時(shí)，應(yīng)盡可能選擇與鈦合金親合力小的刀具材料。刀具選用YG8硬質(zhì)合金材料，沒(méi)有選用YT類硬質(zhì)合金材料，主要是YT類硬質(zhì)合金材料中也含有Ti，這樣同種元素之間會(huì)發(fā)生親和力而出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，當(dāng)切削溫度高，摩擦系數(shù)大，就加劇了刀具的磨損。刀具的幾何尺寸如表3所示。

　　2.3 刀具參數(shù)優(yōu)選

　　3.3.1 車削加工

　　因鈦合金的導(dǎo)熱性差，為減少刀具后刀面與加工表面摩擦產(chǎn)生的熱， 刀具后角要選的大些， 加工一般材料的刀具后角取α0=6°—8°；加工鈦合金的刀具后角取 α0=14°—17°；前角要大一些， γ0=8°—12°，以保證刀刃鋒利，減小加工變形， 提高加工表面質(zhì)量；主偏角 Kr=90°，以降低徑向力，防止震動(dòng)；刀尖圓弧rε≤0.8mm 合適。

　　3.3.2 銑削加工

　　在圖1的外圓表面上加工三個(gè)缺口， 銑刀的前角、后角等幾何參數(shù)對(duì)提高切削精度和效率以及延長(zhǎng)刀具壽命有很大的影響。所以要對(duì)銑刀的形狀加以改進(jìn)， 具體措施：

　　（1）減小銑刀的懸伸。假如銑刀的懸伸過(guò)大， 剛度就難以保證。在保證工件正常加工的前提下， 懸伸盡量縮短。

　　（2）減小銑刀刃口部分排屑曹深度。這樣可使銑刀的壽命得以提高。

　　2.4 切削參數(shù)的優(yōu)選

　　對(duì)于切削加工來(lái)說(shuō)，既要保證零件的質(zhì)量、加工效率，又要保證刀具有一定的壽命。

　　（1）對(duì)于外圓的粗車，要保證刀具的使用壽命，切削速度v<80m/min，刀具使用壽命T=480min。背吃刀量t<1mm，進(jìn)給量 S<0.15mm/r。因粗加工產(chǎn)生的熱量多，要加大冷卻液的流量。

　　（2）對(duì)于零件的精車，主要任務(wù)是保證表面質(zhì)量，加工精度和適當(dāng)?shù)牡毒邏勖Ｇ邢魉俣葀≤80m/min，背吃刀量t≤0.3mm，刀具的使用壽命 T=1080min，進(jìn)給量S≤0.15mm/r。

　　（3）在銑削加工時(shí)，為了提高刀具的使用壽命，除了要減小銑刀的循環(huán)應(yīng)力，還應(yīng)加大背吃刀量和切削厚度。同時(shí)銑削速度對(duì)零件的表面粗糙度有很大的影響如圖4所示，隨著銑削速度的提高，銑削過(guò)程中增強(qiáng)顆粒的破碎和脫落增多，從而使銑削力銑削振動(dòng)增大，工件表面的粗糙度也隨之增大。

　　2.5 提高加工系統(tǒng)穩(wěn)定性措施

　　為了得到滿意的加工零件和效率， 必須使系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性。

　　（1）減小刀具的懸長(zhǎng)， 避免受大的沖擊力的時(shí)候刀具折斷。

　　（2）選擇主軸剛度較大的機(jī)床， 避免大切削用量引起工藝系統(tǒng)顫振發(fā)生。

　　（3）選擇裝夾強(qiáng)度較大夾具， 增加系統(tǒng)的剛性。

　　3、零件出現(xiàn)色差問(wèn)題的分析

　　在生產(chǎn)實(shí)際中由于零件的庫(kù)存量的原因，通常有混批使用零件的情況。但是，兩批零件的表面會(huì)出現(xiàn)輕微的色差。這嚴(yán)重影響了批次產(chǎn)品外觀質(zhì)量的要求。通過(guò)分析，產(chǎn)生色差的原因主要有以下幾個(gè)方面：

　　（1）材料批次不同，由于鈦合金是在工業(yè)純鈦中加入合金元素，不同批次的材料，其組成成分有不同差異，在加工時(shí)會(huì)有不同色差；

　　（2）加工后鈦合金的活性高，易于與空氣中物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使零件表面產(chǎn)生不同的色差；

　　（3）兩批次的加工，出自不同的操作者，使表面粗糙度不一致，由于光的漫反射原理，使粗糙度高的看起來(lái)要光亮一些，而粗糙度低的，看起來(lái)要暗一些；

　　（4）加工時(shí)由于車床轉(zhuǎn)速高或者是刀具不鋒利，車削時(shí)產(chǎn)生大量的熱，無(wú)法及時(shí)散去，又因?yàn)殁伜辖鸬幕钚愿撸菀着c空氣中物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致表面出現(xiàn)不同色差，這是對(duì)不同批次的材料而言；

　　（5）兩批加工的操作者，使用的刀具材料，或者是刀具的幾何參數(shù)選擇不同，使兩批材料的表面發(fā)生不同變化，從而導(dǎo)致兩批零件有不同的色差；

　　（6）兩批零件加工完后，長(zhǎng)時(shí)間擱置不用，鈦合金的微小差異，而由于鈦合金的活性，使其與空氣中物質(zhì)，發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，使表面產(chǎn)生不同色差。

　　4、消除色差的方法

　　零件表面質(zhì)量的好壞，直接影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，通過(guò)對(duì)兩批次產(chǎn)品的零件表面來(lái)看，同一批次的材料，加工后色差是一致的。只是不同批次之間才有輕微色差。由此可知同一批次的材料，其穩(wěn)定性是好的，所以，可以采取以下辦法消除色差：

　　（1）同一批次的產(chǎn)品，選用同一批次的材料來(lái)加工零件，而且采用零庫(kù)存的方法，即本批一次性用完所加工的零件，同時(shí)這也是符合精益管理的原理：消除不必要的浪費(fèi)。

　　（2）零件加工后，不能長(zhǎng)時(shí)間擱置不用，同時(shí)要求同一批采用相同的加工方法，使表面粗糙度一致。這樣就能保證同一批零件表面色差一致。

　　（3）加工時(shí)選用正確的刀具材料，要求高溫狀態(tài)下刀具材料的穩(wěn)定性好，要有足夠的強(qiáng)度和韌性，刀具材料還要有熱傳導(dǎo)性，盡可能選擇與鈦合金親和力小的刀具材料。通常情況下，車削鈦合金時(shí)，選用YG類硬質(zhì)合金刀具材料。這種材料在加工時(shí)，不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同一批零件就會(huì)保持一致。

　　（4）加工時(shí)正確選用刀具的幾何參數(shù)，因?yàn)殁伜辖鸬膶?dǎo)熱性差，為減少刀具后刀面與加工表面摩擦產(chǎn)生的熱，刀具的后角要選大一些。前角要大一些，以保證刀刃鋒利，減小加工變形，提高加工表面質(zhì)量。主偏角為90°，以降低徑向力，防止振動(dòng)，刀尖圓弧不大于R0.8。

　　（5）刀具材料和刀具的幾何參數(shù)選定后，要求進(jìn)行充分的冷卻，以保證切削區(qū)熱量及時(shí)散發(fā)，這樣既可提高零件表面質(zhì)量，使零件表面色差一致，同時(shí)又可延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

　　5、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)實(shí)例對(duì)鈦合金零件的車削和銑削加工的分析，能實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的批量加工，并且滿足使用要求。對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的色差問(wèn)題進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，兩批次的零件加工后產(chǎn)生色差，既可能是材料的問(wèn)題，又可能是操作者在加工中造成的，即是兩批零件操作者不同。只要每批產(chǎn)品，選用同一批材料，加工方法正確，就能完全消除色差問(wèn)題。

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