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      作者：鄭萬全 先生

　　結合鈦合金的特性以及框體類鈦合金的結構特點，本文從工藝方案規劃、加工設備選擇、工裝設計思路、常用刀具類型以及加工注意事項等方面進行簡要地介紹。

  
      框體類鈦合金零件加工工藝方案
   

　　框體類鈦合金零件，常見的是鈦合金機匣（見圖1）。根據產品使用的不同要求以及它的加工特點，目前主要有4種工藝：①分段精加工，再焊接，再補充加工焊接接頭部位。②分段粗加工，再焊接，再整體數控精加工。③整體鍛造，再粗精機加工。④整體鑄造，再粗精機加工。

      
     框體類鈦合金零件機械加工設備的選擇
 

　　如采用分段精加工、再焊接、再補充加工焊接接頭部位的方案，加工設備可根據焊接接頭的情況，根據零件輪廓尺寸選擇合適的五面龍門加工中心、大型五軸聯動加工中心或數控車床等。
   

　　如果采用分段粗加工，再焊接，再整體數控精加工的工藝，由于采用這類工藝方案的框體類鈦合金零件一般尺寸大，結構復雜，焊縫多，焊接易變形，故在焊接前一般端面、表面均都留有較多的余量。在精加工工藝規劃時，務必盡可能少轉工序，因為一旦工序太多，累計誤差以及產品的變形因素就很難控制。一般來講，優先推薦選用大型龍門車銑復合中心（見圖2、圖3）；其次推薦選用數控車床與五軸聯動加工中心（見圖4）聯合加工。

　　如是采用整體鍛造（鑄造）、再粗精機械加工的方案。這種工藝方案準備的零件毛坯，其加工余量比較均勻，去除余量相對較少，可縮短機械加工的時間。機械加工過程中，考慮框體類零件的內壁、外壁以及四周窗口需要粗精加工，為此在選擇加工設備時要選擇適當的數控車床（車削粗精加工）、大型龍門五軸加工中心（內外壁壁粗去余量以及加工四周窗口）、大型龍門車銑復合中心等來進行精加工。
   

      框體類鈦合金零件機械加工工裝設計思路
   

　　考慮框體類鈦合金零件一般薄壁、易變形、結構復雜，根據其結構分析，在工裝輔助設計時務必遵循以下的基本原則。

 
（1）滿足工裝使用過程中工件定位的穩定性和可靠性，有足夠的承載或夾持力，有適合零件的剛性結構。
 
粗加工時，裝夾夾緊力可大，以防止在切削寬度、深度較大的大切削過程中零件的松動；精加工時，考慮零件易變形，工裝夾緊力要稍小，但要可防止工件松動。對于薄壁結構的特易變形零件，務必適當增加輔助支撐工裝結構。
 
（2）盡量充分考慮零件設計基準（使用基準）、工裝定位基準及零件檢驗基準間的統一或關聯。
 
（3）滿足裝夾過程中的方法簡單與操作快捷。
 
（4）滿足工裝在調整、一并轉序或更換過程中具有可靠的重復定位性。
 
（5）盡可能地回避結構復雜、成本昂貴，嚴格遵循手動、氣動、液壓、伺服的依次優先設計采用原則。
 
（6）周向需要設計限位防轉裝置，防止二次裝夾沒周向基準。如批量較大，可以設計氣動、液壓的自動化夾具，實現加工時壓緊塊自動讓位以及自動回復壓緊。如是側面開槽（孔）以及其他涉及到可能在加工零件時會切削到工裝的情況，一般來講在設計時應考慮適當讓位，更優的方案是推薦該工裝匹配部位選用與零件相同的材質，以避免刀具的損壞而帶來的質量事故。
 

　　對于薄壁類框體鈦合金零件精度要求高的部位，工裝的裝夾可能會導致零件的新變形。因為在切削過程中，切削力、夾緊力之間的波動效應會產生耦合作用，導致夾緊不當的附加應力、切削后的殘余應力、工件內部的殘余應力再次分布，當工裝卸力后就產生加工后新的變形。為此針對特殊的部位，推薦運用“過渡外形可調支撐”或“過渡外形柔性工裝”的辦法（見圖5），即根據自由狀態下零件過渡外形的形狀設計與之完全貼合的可調（柔性）支撐并夾緊。

 
　　如是加工大型薄壁鈦合金零件內壁時，更多從節約成本的角度，一般通常采用碗狀包托與芯部襯托（見圖5、圖6）相結合的工裝結構方式，這種方式可更有效地實現工裝的裝夾可靠。
 

  
    
     框體類鈦合金零件機械加工常用刀具類型選擇
 

　　從提高效率、提升質量、降低成本等3個綜合因素出發，加工框體類鈦合金的刀具既希望具有較高的熱硬性，又希望具有良好的耐磨性；既希望具有良好的抗沖擊性，又希望具有較好的韌性；既希望具有較高的導熱系數，又希望具有較低的化學活性。從這些希望出發，加工鈦合金常選用的刀具材料主要有硬質合金、聚晶金剛石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）等。經過生產實際驗證，硬質合金和PCD刀具被認為是加工鈦合金比較理想的刀具材料。
   

　　目前加工鈦合金選用刀具材料最優先考慮、最廣泛推崇的是硬質合金刀具。因為硬質合金具有相對成本低廉、導熱性較好、硬度較高、韌性和紅硬性較好的特點。依其化學成分可分為鎢鈷類（YG）、鎢鈷鈦類(YT)和添加稀有碳化物類（YW），目前在工業生產實際中獲得廣泛應用的仍然是鎢鈷類硬質合金YG8、YG6、YG3等。如通常在粗車和斷續車削時采用YG8刀片，精車和連續車削時選用YG3刀片，一般加工則選用YG6刀片。如果使用添加的稀有金屬的細晶粒硬質合金YA6、YD15、YG10H、YS2等，可提高刀具的壽命和加工效率。實踐中不選用鎢鈷鈦(YT)類硬質合金刀具的原因是YT類刀片中含有鈦，它與被加工的鈦合金之間會發生很強烈的親和力，很快粘掉刀尖。

 
　　硬質合金加工鈦合金速度可以達到45 m/min以上，但當切削速度繼續增加時，刀具和工件接觸面的溫度迅速升高，同時由于Co的熔點較低，在高的切削溫度及元素擴散作用下，造成了刀具材料中W和Co元素的擴散和流失，降低了刀具的硬度和韌性，使硬質合金刀具發生嚴重的塑性變形、粘結磨損和擴散磨損，導致刀具失效。因此，硬質合金刀具只適合切削速度小于75 m/min的鈦合金。

 
　　聚晶金剛石刀具具有極高的硬度，也具有超高的耐磨性，還具有高彈性模量、高導熱系數、刃口鋒利、低摩擦系數以及與非鐵金屬親和力小等優點。該類刀具適用于鈦合金的精加工和超精加工。

 
　　聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，其硬度雖然略低于金剛石，但它具有比金剛石更好的特點是熱穩定性高得多，可達到1 200℃以上（金剛石的耐熱溫度只有700~800℃），化學惰性大，與鈦合金在1 200℃時都不起化學反應。PCBN刀具相比硬質合金刀具，有著切削速度高、表面粗糙度質量好和刀具壽命長等特點，為此PCBN刀具更適合用作鈦合金的精加工。但由于PCBN刀具脆性很大，在切削加工中務必忌諱斷續切削或突變余量切削。
   

      框體類鈦合金零件加工的其他注意事項

 
　　不求高的切削速度，唯求可靠增大切削走刀量。過高的切削速度會導致刀刃過熱、刀刃粘結和擴散磨損嚴重。走刀量的變化對溫度的變化不明顯，所以降低切削速度增大切削走刀量是合理、適宜的切削方式。

 
　　當車削時為了改善散熱條件和增強切削刃，前角一般取5°～9°；為了克服因回彈而造成的摩擦，刀體的后刀面一般取10°～15°；當鉆孔時，縮短鉆頭長度、增加鉆心的厚度和導錐量，鉆頭的耐用度可提高好幾倍。

 
　　不可缺少切削液，且水溶性切削液較為合適。但不能使用含有氯或其他鹵元素和含硫的切削液，這類切削液會對鈦合金的力學性能產生不良影響。  

 
　　針對易變形的鈦合金框體類零件，在數控精加工之前，原則推薦要進行詳細的測量，要根據測量的結果仔細分析再分配加工余量以及再核定加工坐標。

 
　　銑削加工先三軸加工后五軸加工，先面加工后孔加工。維持數控編程加工坐標系的統一，盡量合并工序減少翻面。與鈦合金接觸的所有工具、夾具等裝置都要事先側地潔凈。經清洗過的鈦合金零件，要防止油脂污染，要避免手直接觸摸，操作人員或檢驗人員應當戴干凈的手套進行操作或檢驗。