钛合金TC11精密切割工艺

2020-03-14

钛合金TC11精密切割工艺

钛合金具有密度低、强度高、比强度高于超高强度钢的特点；良好的热稳定性、耐腐蚀性、高温强度；在300～500℃的温度下，其强度比铝合金等高10倍左右，已广泛应用于航天、航空和导弹发动机产品。特别是(α+β)钛合金，可以进行淬火和时效强化合金，热处理后的强度比退火状态提高50%～100%。并且具有突出的耐低温性和突出的耐海水腐蚀和热盐应力腐蚀的能力，应用更为广泛。

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但由于钛合金切削变形系数小（变形系数小于或接近1），前刀面上切屑的切削过程增加了滑动冲突的路径，加速了刀具磨损；同时，切削温度高，切削力大，退化污染层的出现是因为 钛加工 具有较大的化学活性，易与各种气体杂质，如O、N、H、C等发生剧烈的化学反应，侵入钛合金切削表层，造成表面硬脆层增加。其他还有TCI和TiN硬面层的成分；在高温下，表层排列有α层和氢脆层等外变污染层。形成不平整的表层，局部应力集中，零件疲劳强度降低，切削过程严重损坏，出现崩刃、崩刃、脱落现象；亲和力大。切削过程中，钛屑和切削面容易与刀具数据咬合，出现严重的粘刀现象，导致严重的结合磨损；而钛合金排列不稳等缺点，给切削特别是精切削带来诸多困难，故又被称为难加工金属。因此，钛合金精切削加工的技术探讨是一个亟待解决的问题。

尾管壳（如图1所示）是作者工厂产品中的关键功能部件。由于在工作条件下需要接受高温高压，其机械功能要求为抗拉强度Rm≥1030MPa，延伸率A≥9，为满足其功能要求，产品规划中采用钛合金TC11，是典型的薄壁轴管状部分。在对其精切削工艺进行优化规划后，完成了钛合金TC11的精切削。

1.钛合金TC11切削特性

TC11钛合金是(α+β)型钛合金。其排列由密堆积的六方α相和体心立方β相组成。与其他金属相比，织构更显着，各向异性更强，给钛合金的生产和加工带来更大的困难。 . 其切割工艺特点如下：

(1)切削力大，切削温度高。由于钛合金密度低，强度高，切削进给量大，剪切应力大，塑性变形功大，因此切削力高，切削温度高。
(2)严重的加工硬化。除了塑性变形外，钛合金在高切削温度下吸入氧气和氮气，在空隙中发生固溶，以及高硬度颗粒对刀具的相互冲突影响，使钛合金难以工作。
(3) 简易棒刀。钛合金在高温下具有很强的化学亲和力，再加上较大的切削力，进一步促进了刀具磨损。
(4)刀具磨损严重。切割钛合金时，分度磨损是刀具磨损的一个显着特征。

2.工件分析

3.技术方案

3.1 科技之路

技术路线以“先厚后精，内后外”为原则，减少精加工变形，提高加工精度。在前期试制过程中，技术路线为：下料、车长、粗车形、钻孔、粗镗、精车形、精车形。

钛合金导热性差，密度和比热低，切削温度高；与刀具有很强的化学亲和性，粘刀简单，切割困难。实验证实，钛合金的强度越大，其可加工性越差。因此，有必要选择化学亲和力低、导热性好、强度高的钨钴基硬质合金。 加工过程.

粗车为YG8，半精车为YG6，精车为YG3X。钻头采用硬质合金麻花钻（YG6硬质合金）。

3.2 有疑问

(1)使用硬质合金麻花钻钻孔时，切削温度适当高，钻头磨损严重，直接影响加工过程的热应力，直接影响后续精加工的精度。
(2)工件变形大，加工尺寸难以控制。
(3)脱轴情况严重，工件合格率低，均匀合格率仅为50%。
(4)生产功率不高，刀具磨损大，生产成本大。

3.3 治疗方案

3.3.1 从头开始挑选合适的工具

研究资料和加工工艺后，决定使用肯纳HTS-C型机用钻头（喷吸钻）钻孔；该钻头可以提供强大的冷却，并配备可转位 PVD 涂层整体硬质合金刀片和排屑槽和硬质合金钻头。经过试验，该钻头采用了专门针对难加工材料的KC720和KC7215刀片（前后刀片）来钻削钛合金。输出功率提高60%，钻孔后工件不发热不变形。加工时无应力效应，对周围环境无污染，如图2所示。

3.3.2 变形原因分析及对策

加工过程中产生变形的主要原因是钛合金排列应力。在试制初期，虽然该技术采用了先粗加工，后精加工，后内外的加工工艺，但没有充分考虑钛合金排列的不稳定元素，形成工件变形和变形的外观。加工过程中难以控制尺寸。如何减少钛合金的变形控制 合金加工 将过程降到最低是一个难题。

经过反复实验，我们在工件粗加工后加入了时效退火工艺。在不降低工件机械功能的情况下，细化晶粒，进而达到精细排列，消除内应力，使排列达到稳定状态。

热处理标准如下：时效温度530℃，保温时间4～6h。保证Rm≥1030MPa，A≥9%。经过多批实验，抗拉强度Rm高于1030 MPa，延伸率A大于9%。

3.3.3 同轴度差的原因及对策

针对同轴度差导致工件合格率低，进一步分析工件数据和加工工艺发现，该工件为薄壁管，是典型的易变形难加工金属。只要提高所有技术系统的刚性，Talent就可以有效地处理其加工问题。

(1)内孔加工时，合理设置工艺步骤方法。采用具有一定刚度的工艺步骤作为工件的装夹定位基准，有效地解决了加工过程中内孔变形的问题，如图3所示。
(2)在外圆加工过程中，采用机械方法填充抗振材料，即在工件半成品车削过程中，夹紧部位填充刚性垫，防止变形工件；工件内孔填充柔软的橡胶管或泡沫材料，在加工过程中使其嵌入其内壁，进而达到增加工件刚性的效果，如图4所示。
(3)为了保证工件的同轴度，一套过定位 固定装置 计划在最终精加工过程中提高工件的刚性，如图 5 所示。

那么，工件的同轴度就差了。因此，在夹具的规划中，为了保证工件的刚性，采用了过定位装置。不仅把工件的所有内孔都作为定位基准，虽然理论上出现了定位外观，但在实践中完全满足了工件的需要。 . 见图 6。

基于TC11钛合金在切削过程中的上述特点和合金难切削的机理，结合生产实践中难加工数据的加工方法和经验，提出切削加工技术道路从一开始就拟定如下：平底——钻孔——毛坯车内外——老化和机械性能检查——汽车基准——半成品车内孔，半成品车大孔——成品车内部造型——半成品车造型——平总经理，精品车小端——精品车造型。

采用该技术方法加工的钛合金零件尾管壳体完全符合规划要求，零件合格率达到98%以上。有效处理了钛合金的精细切削变形问题。