TC11钛合金细长杆车削加工工艺分析

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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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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