結(jié)合鈦合金的特性以及框體類鈦合金的結(jié)構(gòu)特點，本文從工藝方案規(guī)劃、加工設(shè)備選擇、工裝設(shè)計思路、常用刀具類型以及加工注意事項等方面進(jìn)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(jī)匣(見圖1)。根據(jù)產(chǎn)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(bǔ)充加工焊接接頭部位。②分段粗加工，再焊接，再整體數(shù)控精加工。③整體鍛造，再粗精機(jī)加工。④整體鑄造，再粗精機(jī)加工。
框體類鈦合金零件機(jī)械加工設(shè)備的選擇
如采用分段精加工、再焊接、再補(bǔ)充加工焊接接頭部位的方案，加工設(shè)備可根據(jù)焊接接頭的情況，根據(jù)零件輪廓尺寸選擇合適的五面龍門加工中心、大型五軸聯(lián)動加工中心或數(shù)控車床等。
如果采用分段粗加工，再焊接，再整體數(shù)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(jié)構(gòu)復(fù)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(guī)劃時，務(wù)必盡可能少轉(zhuǎn)工序，因為一旦工序太多，累計誤差以及產(chǎn)品的變形因素就很難控制。一般來講，優(yōu)先推薦選用大型龍門車銑復(fù)合中心(見圖2、圖3);其次推薦選用數(shù)控車床與五軸聯(lián)動加工中心(見圖4)聯(lián)合加工。
如是采用整體鍛造(鑄造)、再粗精機(jī)械加工的方案。這種工藝方案準(zhǔn)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(jī)械加工的時間。機(jī)械加工過程中，考慮框體類零件的內(nèi)壁、外壁以及四周窗口需要粗精加工，為此在選擇加工設(shè)備時要選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)控車床(車削粗精加工)、大型龍門五軸加工中心(內(nèi)外壁壁粗去余量以及加工四周窗口)、大型龍門車銑復(fù)合中心等來進(jìn)行精加工。
框體類鈦合金零件機(jī)械加工工裝設(shè)計思路
考慮框體類鈦合金零件一般薄壁、易變形、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)其結(jié)構(gòu)分析，在工裝輔助設(shè)計時務(wù)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(wěn)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(jié)構(gòu)。
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(jié)構(gòu)的特易變形零件，務(wù)必適當(dāng)增加輔助支撐工裝結(jié)構(gòu)。
(2)盡量充分考慮零件設(shè)計基準(zhǔn)(使用基準(zhǔn))、工裝定位基準(zhǔn)及零件檢驗基準(zhǔn)間的統(tǒng)一或關(guān)聯(lián)。
(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(diào)整、一并轉(zhuǎn)序或更換過程中具有可靠的重復(fù)定位性。
(5)盡可能地回避結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴，嚴(yán)格遵循手動、氣動、液壓、伺服的依次優(yōu)先設(shè)計采用原則。
(6)周向需要設(shè)計限位防轉(zhuǎn)裝置，防止二次裝夾沒周向基準(zhǔn)。如批量較大，可以設(shè)計氣動、液壓的自動化夾具，實現(xiàn)加工時壓緊塊自動讓位以及自動回復(fù)壓緊。如是側(cè)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(shè)計時應(yīng)考慮適當(dāng)讓位，更優(yōu)的方案是推薦該工裝匹配部位選用與零件相同的材質(zhì)，以避免刀具的損壞而帶來的質(zhì)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(dǎo)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(yīng)會產(chǎn)生耦合作用，導(dǎo)致夾緊不當(dāng)?shù)母郊討?yīng)力、切削后的殘余應(yīng)力、工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力再次分布，當(dāng)工裝卸力后就產(chǎn)生加工后新的變形。為此針對特殊的部位，推薦運(yùn)用“過渡外形可調(diào)支撐”或“過渡外形柔性工裝”的辦法(見圖5)，即根據(jù)自由狀態(tài)下零件過渡外形的形狀設(shè)計與之完全貼合的可調(diào)(柔性)支撐并夾緊。
如是加工大型薄壁鈦合金零件內(nèi)壁時，更多從節(jié)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(jié)合的工裝結(jié)構(gòu)方式，這種方式可更有效地實現(xiàn)工裝的裝夾可靠。
框體類鈦合金零件機(jī)械加工常用刀具類型選擇
從提高效率、提升質(zhì)量、降低成本等3個綜合因素出發(fā)，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(dǎo)熱系數(shù)，又希望具有較低的化學(xué)活性。從這些希望出發(fā)，加工鈦合金常選用的刀具材料主要有硬質(zhì)合金、聚晶金剛石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等。經(jīng)過生產(chǎn)實際驗證，硬質(zhì)合金和PCD刀具被認(rèn)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(yōu)先考慮、最廣泛推崇的是硬質(zhì)合金刀具。因為硬質(zhì)合金具有相對成本低廉、導(dǎo)熱性較好、硬度較高、韌性和紅硬性較好的特點。依其化學(xué)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(yè)生產(chǎn)實際中獲得廣泛應(yīng)用的仍然是鎢鈷類硬質(zhì)合金YG8、YG6、YG3等。如通常在粗車和斷續(xù)車削時采用YG8刀片，精車和連續(xù)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(xì)晶粒硬質(zhì)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(zhì)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(fā)生很強(qiáng)烈的親和力，很快粘掉刀尖。
硬質(zhì)合金加工鈦合金速度可以達(dá)到45 m/min以上，但當(dāng)切削速度繼續(xù)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(kuò)散作用下，造成了刀具材料中W和Co元素的擴(kuò)散和流失，降低了刀具的硬度和韌性，使硬質(zhì)合金刀具發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形、粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損，導(dǎo)致刀具失效。因此，硬質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)、刃口鋒利、低摩擦系數(shù)以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)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(wěn)定性高得多，可達(dá)到1 200℃以上(金剛石的耐熱溫度只有700~800℃)，化學(xué)惰性大，與鈦合金在1 200℃時都不起化學(xué)反應(yīng)。PCBN刀具相比硬質(zhì)合金刀具，有著切削速度高、表面粗糙度質(zhì)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(wù)必忌諱斷續(xù)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(dǎo)致刀刃過熱、刀刃粘結(jié)和擴(kuò)散磨損嚴(yán)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(dāng)車削時為了改善散熱條件和增強(qiáng)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(dāng)鉆孔時，縮短鉆頭長度、增加鉆心的厚度和導(dǎo)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(xué)性能產(chǎn)生不良影響。
針對易變形的鈦合金框體類零件，在數(shù)控精加工之前，原則推薦要進(jìn)行詳細(xì)的測量，要根據(jù)測量的結(jié)果仔細(xì)分析再分配加工余量以及再核定加工坐標(biāo)。
銑削加工先三軸加工后五軸加工，先面加工后孔加工。維持?jǐn)?shù)控編程加工坐標(biāo)系的統(tǒng)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(cè)地潔凈。經(jīng)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(yīng)當(dāng)戴干凈的手套進(jìn)行操作或檢驗。
