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TC11钛合金细长杆车削加工工艺分析
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TC11钛合金细长杆车削加工工艺分析

发布时间 :2022-05-12 08:56:58 浏览次数 :

引言

细长杆零件通常是指长度与直径之比大于或等于25 的零件[1] 。车削细长杆零件一直是一个难题,再加上如 果是TC11这种难加工材料,更加剧了问题的严重性。 但TC11(Ti-6Al-3.5Mo-1.8Zr)属于一种马氏体强化 型α+β型两相钛合金。可以在400~500℃下长期使用, 具有非常强的工艺塑性、组织稳定、抗蠕变能力和抗高 温变形能力,抗拉强度可以达到1030MPa,多为航空航 天零件材料的良好选择[2-4] 。与普通零件相比,TC11钛合金细长杆切削性能差,主要表现为钛合金材料切削变 形系数小,切削中刀具和材料局部之间会产生高温、高 压、冷作硬化严重、切削力大,这些情况加剧烈了刀具 磨损,再加上细长杆刚度较差、受热变形较大严重影响 了加工精度和表面质量[5-6] 。 喻红中[7] 在折析细长杆件车削加工方法中,充分分 析了零件的结构、工艺特点以及零件产生的缺陷原因, 采用合理的工艺路径,探索出细长轴的加工方法。宋宏 明[8] 在细长杆的车削加工技术浅析中,归纳了车削常见 缺陷及其原因,并在切削加工方面提出了改进措施。梁 满营等[9] 在细长轴切削加工工艺方案研究中,一边用三 爪卡盘,一边用弹性顶尖的装夹方式,直线插补和圆弧 插补相结合的加工方法来加工细长轴。以上的研究方法 都适用加工比较容易切削的材料和小型零件,但实际生 产中,往往会碰到大型、甚至中间有孔的难加工材料零 件,比如钻杆之类的就不太适应了。 针对以上问题,本文对TC11钛合金细长杆零件在实际生产中,对加工工艺、装夹方式、受力情况以及刀 具选择等方面,作出了合理的分析,并通过试验验证得 出,该种工工艺可以达到预期的加工效果。

1、细长杆在加工过程中工艺性分析

细长杆在车削过程中的热扩散性能比较差,在车削 过程中,会在切削热的作用下刀具发生黏结磨损,从而 影响工件的表面粗糙度和加工精度[10] 。并且钛合金TC11材料由两相组织组成,在切削过程中由于硬度比较大, 因此在加工中需要比较大的切削力。 以图1所示的零件为例,只对细长杆外圆车削部分 进行进行工艺性分析,内外螺纹以及键槽部分不做分析处理。

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1.1加工难点

1.1.1加工的尺寸公差要求

TC11材料的化学成分如表1所示。TC11具有难加 工性。同轴度要求为0.03mm,外径为ϕ1780 -0.4mm和 ϕ143+0.5 0mm,长度为550+2 0mm、11500 -2mm、760+2 0mm、 6110+10 0mm,粗糙度为Ra3.2µm,与18°的锥度,R38mm 的圆角。

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1.1.2细长杆加工特性

细长杆广泛应用于生活中,主要起到传递扭矩、输 出动力源和承担载荷的作用。但细长杆在加工过程中受 到切削力和切削热的作用,容易造成杆的弯曲,出现直 线度、同轴度、径向圆跳动和尺寸精度等不合格的现象, 废品率很高。

1.2加工过程工艺路线的分析

TC11钛合金细长杆车削的目的:从实现基准转换的 角度,来保证零件的同轴度与尺寸。因此可以通过打表 的方式,将孔的轴线放置与车床导轨平行。再用超声波测 厚仪测量出壁厚,利用粗车将原来孔的轴线基准转化到圆 柱的表面上,用半精车修正外圆。最后在经过精车与抛 光的方式,达到尺寸和粗糙度的要求。外圆加工过程中, 将背吃刀量按照几乎均匀等分的方式进行粗车与精车加 工,来保证最后的加工精度以及削弱刀具的磨损。加工 R38mm的倒角与18°的锥角时,利用四方刀架旋转成固 定的18°并且采用特制的R38mm的外圆车刀进行加工。

1.3装夹方式的选择

(1)双顶尖法装夹法。采用双顶尖装夹,工件定位 准确,同轴度容易得到保证。但是细长杆的刚度差,两端 都用顶尖,细长杆容易在刀具切削力的作用下产生弯曲。 (2)一端夹紧另外一端顶尖的装夹法。如果顶的太 紧,孔的内部容易在端口变形,并且还会导致细长杆往 外弯曲的可能,并且三爪卡盘和顶尖的同轴度也不能保 证。细长杆在受热以后,会产生膨胀,从而加剧了细长 杆的弯曲,而这种装夹方式可以改善,即三爪卡盘夹紧 端采用开口的钢丝圈减小夹紧的接触长度,顶端采用弹 性顶端来缓解弯曲变形。

(3)三爪卡盘和中心架。采用一端加紧,一端用中 心架支撑,支撑架合理的摆放位置,能够极大的减小切 削过程中的振动,减小了径向切削力。 由于6m长的细长杆和车床的长度大致一样长,有 一端无法采用顶尖。这里的装夹方式采用的为一端三爪 卡盘夹紧,中间用两个中心架支撑。为了方便装夹,这 个零件自带100mm的工艺夹头,待零件加工完成之后可 进行切除,装夹方式如图2所示。对图中装夹方式中的 零件进行受力分析,由于中心架是限制零件的轴向移动, 并且底盘与轨道进行固定,可视为固定铰支座,得到了 零件XZ和YZ两个平面方向的受力分析图,如图3~4所示。其中MA为主轴箱传来的扭矩,q为均布载荷重力, A点为三爪卡盘,B、C两个点为中心架辅助,D点为装 夹的自由端,FP为刀具的径向分力。

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1.4刀具选择

为了减小细长杆切削中产生的弯曲变形,就要求在 车削过程中产生的切削力越小越好,为了减小刀具损坏, 使刀具和钛合金材料不发生亲和,刀具材料选为不含钛 元素的硬质合金。而在刀具的选择中,刀具的角度会直 接影响细长杆的质量和断屑的难易程度[11] 。

(1)前角(γ0)。前角的大小影响切削力、切削产生 的振动以及零件表面的加工质量。使用较大的前角会降 低切削力,减小加工过程中的振动,提高零件表面质量, 但是过大的前角会让刀头和刀尖的强度降低,容易破坏 刀具。其次,TC11钛合金属于难加工材料,难以断屑, 因此车刀的前刀面应有断屑槽,附加负倒棱。

(2)主偏角(Kr )。主偏角是主要影响刀具径向力的 因素,较大的主偏角会降低刀具的径向力,减小细长杆 的变形,不容易振动。并且小的刀尖圆弧半径也会减小 径向分力。 (3)刃倾角(λs )。刃倾角影响铁屑的流向,正的刃 倾角,铁屑流向待加工表面;负的刃倾角,铁屑会流向 已加工表面。车削细长杆,应取正的刃倾角,并且较大 的刃倾角,会增加实际的工作前角。

(4)后角越大,刀具越锋利,可降低工件与刀具的 摩擦,提高工件表面的粗糙度,但是较大的后角同样会 使得刀具的强度降低,后角的大小一般为α0=α01=4° ~60°。钛合金属于强度较高的材料,应选择较小的后角。

本次试验采用机夹刀具,采用机夹式结构如图6所 示,方便更换磨损的刀片。为了加工出R38mm的圆角, 采用了特制的一体化刀具如图7所示。加工钛合金材料刀片材料为YG8[12] ,刀片型号为CCMT120404-SF刀 尖角为80°,后角为7°,R=0.4mm的刀尖半径,HQ型断屑槽。

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1.5合理的切削用量选用

切削用量是切削运动过程中的切削参数选择,其中包括切削速度、进给量、背吃刀量。切削量选取的原则 为:在能保证的尺寸精度的情况下,尽可能提高生产效 率和降低成本。

(1)背吃刀量(ap )。在刀具和机床确定前提下,切 削深度增加,车削过程中的切削力会增大,并且过多的切削深度会产生大量的热,容易引起切削变形。因而, 在图1的零件加工过程中尽可能减少背吃刀量,将粗加 工时进刀的背吃刀量设为3mm、半精加工时为2mm、 精加工时设为0.5mm。

(2)进给量(f)。切屑厚度与进给量成正比,过大 的进给量会增加切屑的厚度,增加切削力。精加工阶段, 进给量主要与表面的粗糙度有关。粗车用大的进给量 0.15~0.20mm/r,精车用小的进给量0.08~0.10mm/r。

(3)切削速度(υ)。普通车床的切削速度不会很 大,不容易产生积屑瘤,对刀具的磨损度有利。对于细长杆来说,过高的切削速度,会增加离心力,加剧切削 的振动。因此,车削中应该选择较低的切削速度 60~150r/min。

1.6切削液的选择

切削液在车削过程中起到润滑、防绣、降低刀具后刀面与工件的摩擦、减少切削热的产生。故这里选用的 切削液为COOlancutO-11加水稀释而成,COOlancutO- 11的典型数据如表2所示。

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2、试验验证

最后确定该零件的加工工艺方案为:粗车-半精车精车-抛光。整个切削过程都采用切削液,带走切削热和润滑已加工表面。粗车的切削参数为v=60r/min,f= 0.1mm/r,ap=3mm;半精车v=80r/min,f=0.2mm/r,ap= 2mm;半精车v=80r/min,f=0.2mm/r,ap=0.5mm。 图7所示为粗车加工,图8所示为粗车切屑,图9所 示为半精加工。

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图10所示为精车完成,图11所示为抛光效果,图 12所示为加工完成。

将最终加工出来的零件通过测量,检验产品是否合 格。同轴度采用的量具为内径百分表,粗糙度采用对比 的方法,长度方向的尺寸用游标卡尺,外径用外径千分 尺以及角度尺。测量报告如图13所示。通过上述检测报 告以及实际加工情况可以看出,该细长杆加工工艺方案

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可行。


3、结束语

本文在TC11钛合金细长杆加工过程中,采用一端用三爪卡盘夹紧,另外一端用两个中心架固定的装夹方 式。这种装夹方式,普遍适用于大型零件的加工,减小 了细长杆零件加工过程中的变形,保证了零件的同轴度, 实现了轴的基准向圆柱外表面转化的目的。

整个试验中,通过选取COOlancutO-11型号的切 削液、YG8材料的刀片,解决了TC11这类难加工材料 的切削性能差的问题。机夹式结构车刀,刀片更换方便, 避免了细长杆在长时间加工过程中需要反复修磨刀刃, 很大程度上提高了加工效率;特制的R38mm车刀,解 决了普通车床中加工圆角难题。采用合理的加工工艺与 粗精车切削用量,能够使零件的外形尺寸精度和表面粗 糙度达到要求。

参考文献:

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[2]张雪敏,张伟,李海锋.TC11钛合金大规格环材的组织与性能 研究[J].锻造与冲压,2019(19):58-61.

[3]何波,邢盟,孙长青,等.热处理对激光沉积TC4/TC11组织和性 能的影响[J].稀有金属材料与工程,2019,48(6):1929-1935.

[4]钟斌,马少俊,张仕朝,等.TC11钛合金批产检验强度数据分析 及设计许用值计算[C]//北京:北京力学会,2019.

[5]肖海南.难加工材料细长杆的车削工艺[J].轨道交通装备与技 术,2019(1):47-49.

[6]周大勇,周玲,武春燕.普通车床加工细长杆零件的工艺改进 [J].设备管理与维修,2019(19):111-112.

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[12]王彩霞,张军妮.一种钛合金细长轴零件的加工工艺研究[J]. 机床与液压,2011,39(10):36-38.

第一作者简介:祝升亮 (1995-),男,陕西商洛人,硕士研究生,研究领域为深孔加工技术。

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