钛合金零件加工工艺方法探讨

摘要, 钛合金零件的加工难度是比较大的, 容易出现加工变形之类的问题, 以薄壁零件作为例子, 本文是在分析零件加工问题的基础上面来做的, 从刀具选择还有工艺参数确定等多个方面提出了工艺改进的方法, 使得零件加工的合格率提高到了百分之九十, 促使了零件加工效率和质量的提升。

关键词：钛合金；薄壁零件；切削工艺

钛合金是性能和优点都非常突出的那种材料, 所以在数控机床进行加工操作的时候, 已经被大家用得非常广泛了, 但是呢, 给钛合金零件做加工这件事情, 本身也存在一定的困难点, 因为很容易出现变形的这样的问题, 这样一来就导致了做出来的零件的加工质量没办法达到该有的要求水平, 因此, 人们还应该去加强对于钛合金零件加工工艺方法这块内容的研究动作, 目的是为了能够进一步推动钛合金零件实现更大范围的发展步伐。

1钛合金零件加工难点

钛合金零件加工是有一定难度的。在切削加工的初期, 会面临壳体类工件让刀具消耗得太快的这个问题。这会导致刀片材料的磨损量很大, 同时零件表面的光洁度也达不到要求。这些情况是和钛合金材料内部组织结构比较复杂、以及亲和性比较大这几个因素有关联的。

在实际动手进行加工的时候, 因为晶格里的原子不容易脱离它们原本所在的平衡位置, 所以会造成切削时的温度迅速升高。温度的迅速升高, 最终就会引起刀具出现磨损的现象。

因为钛合金的导热系数是比较小的那种情况, 所以它散发热量的效果是不好的, 在切削加工的那个工作区域内, 温度会发生聚集在一起的现象, 这就容易导致刀具发生崩坏的事情出现, 然后影响到零件表面的那种质量情况。

而且在加工零件的这个期间里, 会遭遇机床振动的问题, 这个问题是受到走刀量、切削深度、速度这些因素的相互影响, 一旦出现了振动, 零件就会发生变形的情况。由于薄壁类的零件其本身的刚性是比较低的, 当受到了切削应力这方面的作用时, 整体的精度状态将会受到影响而变得不精确。

另外, 钛合金的化学活性非常高。它容易和那些气体杂质发生化学反应。这种反应的结果, 会导致氧元素、氮元素等被加到材料里面去。也有可能引起晶格出现弯曲的情况。这些情况都会导致材料的塑性下降。又或者会在表面形成一层硬层。这层硬层会给刀具带来损伤。

所以大家在采用钛合金来加工精密构件的时候, 会受到加工工艺的影响。这就很难达到尺寸精度方面的要求。也很少能达到形位公差方面的要求。

2钛合金零件加工工艺方法

2.该产品在加工环节需要满足以下技术要求, 因为某钛合金零件被归类为薄壁筒体类型, 所以采用材料进行加工, 且在薄壁区域的壁厚数值达到了0.25mm, 其公差范围设定为0.025mm, 该零件的外圆直径数据为准20mm, 内圆直径数据为准17mm, 并且在距离口部5mm的具体位置上, 对于内孔公差的控制要求必须严格达到0.025mm的水平。

按照零件加工要求, 要能达成比较高的零件配合精度, 这样做的目的是为了能够让相应的附件贴合着使用, 因此必须去满足那个0.02mm平面度的要求。

这是关于2.2原有工艺加工问题的描述, 在原来的那种工艺条件之下, 是需要利用常规的这个车削加工的这种方法的, 它具体的做法是把毛坯底部给夹紧住了以后, 再把这个卡盘给它伸出去大约20mm的距离, 紧跟着就要先是对外面的这个轮廓进行粗加工还有精加工这些操作的, 紧接着又是要对内面的那个轮廓来进行粗加工和精加工这一系列的工作内容。

大家如果采用传统的那一种车削工艺去干活的话, 很容易就会碰到一个麻烦事儿, 那就是加工出来的零件, 它的外圆的同轴度这个指标会超标, 还有内孔的直径也会超差, 不仅如此, 内孔的圆度表现也很糟糕, 在孔口这个地方不平整, 并且在出口处会有很多严重的毛刺, 这些缺陷可以说是非常明显了。

当我们深入去分析这个问题产生的具体原因的时候, 会发现机床的主轴存在着振动的问题, 与此同时, 钻头还存在一个微小的偏摆现象, 因为这两个问题, 所以钻头在使用过程中的磨损情况, 就会直接反映到被加工的零件表面之上去了。

受这一些因素的影响, 在把零件加工这个事情完成以后, 就需要人工去把毛刺修整掉, 这样的话, 就会让零件加工的变慢, 还会变得比较麻烦, 经常容易出现对孔口发生划伤的事故, 从而使得零件加工的合格情况比较低。

因为这个是个薄薄的壁板的零件, 所以, 这个零件的内尺寸, 还有底部的厚度壁板, 是需要做到比较高的加工要求的。在定位夹具安装的过程中, 零件因为受到径向作用力的影响, 容易出现夹紧变形的情况。当加工完成后, 零件如果恢复了弹性变形, 就会产生尺寸误差。这样一来, 就会导致零件报废。

第二点三是关于加工工艺方法的优化。针对零件存在的加工问题, 同时结合钛合金零件加工的难点, 需要对以往的车削加工工艺进行改进。主要从刀具选择、切削参数的确定、冷却液的选择以及变形控制这四个方面提出具体的措施。这样做的目的是为了能够解决零件加工过程中出现的问题。

2.关于3.1加工刀具选择, 在刀具选择这个事情上, 常规的车削工艺多数会采用那种专门的刀具, 这种刀具能够在温度不超过400度的前提条件之下, 进行正常的工作。

可是在对薄壁钛合金零件进行加工的过程中呢, 如果采用了这类刀具的话, 因为材料本身的热导率是比较低的, 所以在切削加工所产生的热量就会在刀尖的位置聚集起来, 这样就会导致刀具的局部温度上升得过快, 进而引起刀具磨损得非常严重, 这就造成了刀面和正在加工的表面之间产生了非常强烈的摩擦, 最后也就影响了零件在加工之后的表面质量了。

针对这一种情况, 还应重新进行刀具材料的选择。针对钛合金这种材料的时候, 可以选择YT类硬质合金刀片, 但是车削钛合金的车刀与切屑发生频繁的接触的情况, 刀具接触面上单位切削力是比较大的情况, 为避免硬质合金刀片崩坏, 还应选择高钴高速钢刀具。

在实际加工过程里面, 考虑到这种刀具的价格很高, 所以我们还得把各种刀具材料集中起来做对比。经过最后的选择, 我们定下来用硬质合金, 还有PVD涂层刀片, 因为它们的价钱比较低。另外它们加了少量的稀有元素, 所以耐磨性变得更好了。

在零件加工的阶段, 不管是粗加工还是精加工, 都会受到刀具几何角度的影响。因此我们除了选好刀具材料以外, 还要把几何角度这块的事情做好。对于钛合金这种材料, 车刀后角这一因素是比较敏感的。由于切削层的金属在弹性方面表现出较大的硬度以及恢复能力, 所以应当运用相对较大的后角。

这样做可以让刃口比较轻松地去切入到金属层里面去, 同时使刀具的磨损程度得到减小。可是, 如果后角超过了15°这个数值, 就容易造成金属发生粘附的现象。因此, 还需要采用15°的后角。选取这一数值, 能够增强刀刃的锋利性, 进而能够使切削温度降低。

当确定早刀具刀尖的圆角选择的时候, 需要结合刀具生产厂家的推荐值来进行考虑, 因此可以选择具有5到8度前角以及15到18度后角的刀具。

关于2.3.2章节中对加工参数的确定这一部分内容进行说明, 对于薄壁钛合金零件来说, 在其加工期间一直处于应力释放的状态之中, 并且在毛坯材料发生受热的情况之下, 由于对薄壁零件进行的各个加工工序都会产生残余应力, 所以最终会导致零件发生变形现象的出现。

为了实现对于残余应力的有效控制, 我们需要针对零件所受到的热效应以及机械力这两个方面的因素展开综合性的分析。在此过程中, 应当采用有限元分析软件来完成相关的数值计算工作。通过这种手段来确定零部件变形所产生的具体影响程度, 进而在科学的层面上确定切削参数, 以便达到提高零件整体加工质量的目的。

遵循这一种思路, 能够实现对切削 的合理选定, 使得机械加工环节始终保持着较低的切削速度水平, 并且将其严格控制在三十到五十米每分钟的区间以内。在粗加工这个阶段, 还要搞定那个比较大了的进给量是怎么选出来的。到了精加工的时候，就需要把适合用的进给量给设置好才行。

具体点说, 平端面的进给量可以控制在零点一五到零点二零零毫米每转这个范围里面。粗车外圆部分应该在零点二零到零三零毫米每转之间进行。精车外圆的地方要放在零点零五到零点一二毫米每转中间去。钻孔的进给量, 应当在零点零三到零点零五毫米每转这个范围内进行操作。

关于车削切削深度的选择, 我们需要考虑到钛合金这种材料本身的亲和力比较强。所以切削深度要控制在工件直径的1/3这个范围, 目的是为了避免因为切削深度搞得太深而让刀具烧断。在实际操作的过程中, 我们要做好精加工量的控制工作, 因为这个零件表面可能会形成一层厚度在0.1至0.15毫米之间的硬化层。

为了不让刀具磨损得太厉害, 我们应该加强对于切削余量的控制。具体来说, 就是要把平端面、粗车外圆、精车外外圆、钻孔这些工序的切削深度分别控制在0.7至0.9毫米、1.2至1.5毫米、0.1至1.5毫米和0.25至0.35毫米的范围里面。

在编号为2.3.3的冷却液选择这一项里, 钛合金零件在进行车削加工的时候, 会出现切削温度一直往上涨的情况, 这样就会导致刀具的使用寿命受到影响。通过对吊切削温度进行降低的方式, 可以使切削抗力得到降低的结果, 进而能够让刀具磨损的情况得到减少。

针对钛合金薄壁零件在加工过程中存在的加工温度集中的问题来说, 还需要把冷却液的选择工作做好, 以便使零件在加工时的效率和质量的得到提升。在实际的操作过程当中选择切削液的时候, 还需要结合刀具的使用的具体情况以及工艺的安排的实际情况, 以此来完成后面的合理选择的工作。

在薄壁钛合金零件加工的过程之中, 因为存在这样的特点, 所以对于应当避免采用含有氯成分的冷却液这样的一件事情是需要做到的, 这是因为如果不避免的话, 就会导致零件发生氢脆现象以及产生有毒物质这样的情况出现, 同时也是为了防止因高温应力的产生进而导致零件出现腐蚀开裂问题的发生, 在实际进行生产操作的期间里, 是可以去选择使用如同嘉实多这一类品牌的冷却液的, 这种冷却液是属于拥有高性能特点还有高极压特性的那种水溶性切削液, 它能够在面临各种金属材料的苛刻加工情境时得到应用, 而且它的另外一个好处在于所产生的对于机床表面的污渍沉积是容易被清除的。

在零件加工的时候, 一定要提供足够的冷却液, 还要让冷却液循环的速度保持得比较快一些, 并且把压力和切削液的流量都增大, 这样就能够让冷却液降温这个作用有效地发挥出来。

关于2.3.4切削变形控制这一块儿的内容，如果在变形控制方面采取了这样的方式, 就是零件粗加工之后直接就用精加工的方式去做的话, 就会导致加工余量变得过大, 应力也就无法被全部释放掉, 要是走的刀的速度又比较快的话, 就会产生非常大的径向切削力, 从而引起零件变形。

针对这个问题, 必须增加半精加工这一步骤, 具体来说, 就是在粗加工做完之后, 先进行半精加工, 然后再进行最后的精加工, 在精加工的时候, 还得把切削速度控制好, 这样才能防止切削振动问题发生, 在精加工结束后, 因为考虑到流程中的加工应力很难完全去掉, 所以还要进行热处理, 以便让零件加工的变形得到最大程度的避免。

在坯料粗加工之前, 也可以进行零件热处理, 以便保证机械性能得到保障, 同时让热处理产生的变形有所减少。因为零件加工时的变形和夹具存在一定关联, 所以还要结合薄壁钛合金零件的强度比较低这一特点来挑选夹具。

针对底部那些壁厚相对较薄的地方, 还应当选择三爪卡盘, 以此来使得受力点的数目以及零件和夹具彼此接触的面积得以减小。。当卡盘的夹紧力比较大的时候, 薄壁零件就容易出现变形的状况。

针对这个情况, 可以用开缝套筒的方式让接触面积适当地增加一点, 这样一来, 夹紧力就可以在工作件上面进行均匀的分布, 能够让零件的变形问题得到一些改善。2.4优化内容及效果分析。

从工艺优化的内容方面来看, 针对薄壁钛合金零件在车削加工过程中所面临的问题, 主要依靠选择适配的工具、对工艺流程和参数进行改良, 以及使用冷却液这三种途径, 来提高零件的加工质量与效率。

首先, 为了解决薄壁零件在加工时容易产生应力集中的问题, 可以通过选择适合夹具和刀具等工具的方式来改进零件的*加工效果*。在进行零件数控加工的这个期间呢, 因为薄壁零件这个东西本身的强度是比较低的, 然后夹紧力的大小的这个情况, 将会直接关系到说零件会不会出现变形这种现象。

所以去选择那些比较适合的夹具，能够让我们在强度相对而言比较大的这个位置上去施加夹紧力, 或者是让零件上面的那种夹紧力能够得到一个相对均匀一点的分布, 这样做的话, 从而使零件加工精度这方面就得到了提高。而且刀具材料还有角度这些个方面进行了合理的选择, 是能够使刀具保持一个轻快切削的一个状态的。

在进行精车作业的时候, 应当把刀具的前角适当地调大一点, 好让刀刃那个圆弧的半径变小一些, 这样就能保证刃口是锋利的, 然后通过减少切削时候产生的热量和阻力, 去防止那个零件发生变形, 这属于第二个方面的事。

其次的话, 要是能够采用从粗加工到半精加工, 再到最后精加工的这种工艺流程顺序, 那么零件里面残留的那些应力就能够得到进一步的释放。

至于那些影响加工的参数, 比如切多深、走多快之类的东西, 如果能把它们选得合适合理一点, 就可以加强对车削过程里那些会改变零件情况的因素的控制, 从而使得零件加工出来的时候精度能够得到保障。

最后, 面对钛合金零件里面温度应力比较高的状况, 把冷却液的用量加大, 以此来把车削的温度给降下来, 让因为温度变化造成的零件变形现象有所缩减。

接着就按照改好之后的工艺流程去进行数控加工的编程操作, 对那些薄壁的零件开展加工的话是可以看见的, 由于这一回零件的加工精度提升了, 所以原来存在的外圆同轴度不达标以及内孔尺寸超差的问题都解决了, 孔口那边也能保持平整的样貌, 而且零件本身也没有出现变形的情况。

比较工艺改进以前, 还有工艺改进以后, 零件在加工的时候, 那个效果是不太一样的, 这个结果可以看得很清楚, 工艺改进以前, 零件在生产的过程里, 合格的那个比例只有百分之70, 所以只能靠人工去处理表面的毛刺, 这样做的话, 加工的速度是比较慢的, 但是工艺改进以后, 零件加工的合格的比例上升到了百分之90, 这样的一次性就能加工成型了, 因此能够让零件的质量还有效率得到提升, 给整个的加工过程带来不少的好处。

3结论

总的来说, 在对那些钛合金的零件进行加工操作的时候, 必须要把这加工的难度考虑进去, 然后针对传统的那些车削工艺流程来进行一些改进措施，要通过把刀具的材料给选好、把角度也给调对、把冷却液的选择弄得合理到位, 还要实现工艺参数的调整这个动作, 来把零件的加工质量给提高、把加工效率也给提升上去, 这样做最终是为了能够推动车削加工技术的发展。