鈦合金TC11精密切割工藝

2020-03-14

鈦合金TC11精密切割工藝

鈦合金具有密度低、強度高、比強度高於超高強度鋼的特點；良好的熱穩定性、耐腐蝕性、高溫強度；在300～500℃的溫度下，其強度比鋁合金等高10倍左右，已廣泛應用於航天、航空和導彈發動機產品。特別是(α+β)鈦合金，可以進行淬火和時效強化合金，熱處理後的強度比退火狀態提高50%～100%。並且具有突出的耐低溫性和突出的耐海水腐蝕和熱鹽應力腐蝕的能力，應用更為廣泛。

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但由於鈦合金切削變形係數小（變形係數小於或接近1），前刀面上切屑的切削過程增加了滑動衝突的路徑，加速了刀具磨損；同時，切削溫度高，切削力大，退化污染層的出現是因為 鈦加工 具有較大的化學活性，易與各種氣體雜質，如O、N、H、C等發生劇烈的化學反應，侵入鈦合金切削表層，造成表面硬脆層增加。其他還有TCI和TiN硬面層的成分；在高溫下，表層排列有α層和氫脆層等外變污染層。形成不平整的表層，局部應力集中，零件疲勞強度降低，切削過程損壞嚴重，出現崩刃、崩刃、脫落現象；親和力大。切削時，鈦屑和切削麵容易與刀具數據咬合，出現嚴重的粘刀現象，導致嚴重的結合磨損；而鈦合金排列不穩等缺點，給切削特別是精切削帶來諸多困難，故又稱為難加工金屬。因此，鈦合金精切削加工的技術探討是一個亟待解決的問題。

尾管殼（如圖1所示）是作者工廠產品中的關鍵功能部件。由於在工作條件下需要接受高溫高壓，其機械功能要求為抗拉強度Rm≥1030MPa，延伸率A≥9，為滿足其功能要求，產品規劃中採用鈦合金TC11，是典型的薄壁軸管狀部分。在對其精切削工藝進行優化規劃後，完成了鈦合金TC11的精切削。

1.鈦合金TC11切削特性

TC11鈦合金是(α+β)型鈦合金。其排列由密堆積的六方α相和體心立方β相組成。與其他金屬相比，織構更顯著，各向異性更強，給鈦合金的生產和加工帶來更大的困難。 . 其切割工藝特點如下：

(1)切削力大，切削溫度高。由於鈦合金密度低，強度高，切削進給量大，剪切應力大，塑性變形功大，因此切削力高，切削溫度高。
(2)嚴重的加工硬化。除了塑性變形外，鈦合金在高切削溫度下吸入氧氣和氮氣，在空隙中發生固溶，以及高硬度顆粒對刀具的相互衝突影響，使鈦合金難以工作。
(3)簡單的棍子刀。鈦合金在高溫下具有很強的化學親和力，再加上較大的切削力，進一步促進了刀具磨損。
(4)刀具磨損嚴重。切割鈦合金時，分度磨損是刀具磨損的一個顯著特徵。

2.工件分析

3.技術方案

3.1 科技之路

技術路線以“先厚後精，內後外”為原則，減少精加工變形，提高加工精度。在前期試製過程中，技術路線為：下料、車長、粗車形、鑽孔、粗鏜、精車形、精車形。

鈦合金導熱性差，密度和比熱低，切削溫度高；與刀具有很強的化學親和性，粘刀簡單，切割困難。實驗證實，鈦合金的強度越大，其可加工性越差。因此，有必要選擇化學親和力低、導熱性好、強度高的鎢鈷基硬質合金。 加工過程.

粗車為YG8，半精車為YG6，精車為YG3X。鑽頭採用硬質合金麻花鑽（YG6硬質合金）。

3.2 有疑問

(1)使用硬質合金麻花鑽鑽孔時，切削溫度適當高，鑽頭磨損嚴重，直接影響加工過程的熱應力，直接影響後續精加工的精度。
(2)工件變形大，加工尺寸難以控制。
(3)脫軸情況嚴重，工件合格率低，均勻合格率僅為50%。
(4)生產功率不高，刀具磨損大，生產成本大。

3.3 治療方案

3.3.1 從頭開始挑選合適的工具

研究資料和加工工藝後，決定使用肯納HTS-C型機用鑽頭（噴吸鑽）鑽孔；該鑽頭可以提供強大的冷卻，並配備可轉位 PVD 塗層整體硬質合金刀片和排屑槽和硬質合金鑽頭。經過試驗，該鑽頭採用了專門針對難加工材料的KC720和KC7215刀片（前後刀片）來鑽削鈦合金。輸出功率提高60%，鑽孔後工件不發熱不變形。加工時無應力效應，對周圍環境無污染，如圖2所示。

3.3.2 變形原因分析及對策

加工過程中產生變形的主要原因是鈦合金排列應力。在試制初期，雖然該技術採用了先粗加工，後精加工，後內外的加工工藝，但沒有充分考慮鈦合金排列的不穩定元素，形成工件變形和變形的外觀。加工過程中難以控制尺寸。如何減少鈦合金的變形控制 合金加工 將過程降到最低是一個難題。

經過反复實驗，我們在工件粗加工後加入了時效退火工藝。在不降低工件機械功能的情況下，細化晶粒，進而達到精細排列，消除內應力，使排列達到穩定狀態。

熱處理標準如下：時效溫度530℃，保溫時間4～6h。保證Rm≥1030MPa，A≥9%。經過多批實驗，抗拉強度Rm高於1030 MPa，延伸率A大於9%。

3.3.3 同軸度差的原因及對策

針對同軸度差導致工件合格率低，進一步分析工件數據和加工工藝發現，該工件為薄壁管，是典型的易變形難加工金屬。只要提高所有技術系統的剛性，Talent就可以有效地處理其加工問題。

(1)內孔加工時，合理設置工藝步驟方法。採用具有一定剛度的工藝步驟作為工件的裝夾定位基準，有效地解決了加工過程中內孔變形的問題，如圖3所示。
(2)在外圓加工過程中，採用機械式填充抗振材料的方法，即在工件半成品車削過程中，夾緊部位填充剛性墊，防止變形工件；工件內孔填充柔軟的橡膠管或泡沫材料，在加工過程中使其嵌入其內壁，進而達到增加工件剛性的效果，如圖4所示。
(3)為了保證工件的同軸度，一套過定位 固定裝置 計劃在最終精加工過程中提高工件的剛性，如圖 5 所示。

那麼，工件的同軸度就差了。因此，在夾具的規劃中，為了保證工件的剛性，採用了過定位裝置。不僅把工件的所有內孔都作為定位基準，雖然理論上出現了定位外觀，但在實踐中完全滿足了工件的需要。 . 見圖 6。

基於TC11鈦合金在切削過程中的上述特點和合金難切削的機理，結合生產實踐中難加工數據的加工方法和經驗，提出切削加工技術道路從一開始就擬定如下：平底——鑽孔——毛坯車內外——老化和機械性能檢查——汽車基準——半成品車內孔，半成品車大孔——成品車內部造型——半成品車造型——平總經理，精品車小端——精品車造型。

採用該技術方法加工的鈦合金零件尾管殼體完全符合規劃要求，零件合格率達到98%以上。有效處理了鈦合金的精細切削變形問題。