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瓦爾特鈦合金車削加工的利器

2015-1-5 來源：數控機床市場網（wǎng）作者：西安航空科技（jì）杜改梅、劉淩雲、張靜

應用案例

關鍵詞：瓦爾特應用案例航空航天鈦合金車削中航西控

鈦合金車削加（jiā）工的（de）利（lì）器

文/西安航空動力控製科技有限公（gōng）司杜改梅、劉淩雲、張靜

西安航空動力控（kòng）製科技有限公司（以下簡稱（chēng）中航（háng）西控）創建於1955年，隸屬於中國（guó）航空工業集團公司，是中國航空發動機燃（rán）油控製係統、飛機液壓裝（zhuāng）置及高技術機電產品研製、試驗和生產的基地。擁有先進的數字化精密機械製造、特種工藝、計量（liàng）檢（jiǎn）測能力和信息化管理手段，設有兩個設計研究所、十餘個專業製造單元及相關業務、生產、信息技術、國（guó）際合作等管理部門。以PDM為平台的（de）數字化設計製造體係，使中航西控具有研製適應市場快速變化的不（bú）同產品的（de）柔性加工（gōng）能力。

自成立近六十年來，中航西控先後為中國50多種航空、航天發動機研製生產了150多個型號的數十萬台套燃油附件。同時，通過實施核心技術（shù）輻射戰略，已（yǐ）成功涉（shè）足航天（tiān）和陸用戰車動力控製、民航修（xiū）理、國際航空零（líng）部（bù）件轉包生產等領域（yù），與霍尼韋爾（ěr）、古（gǔ）德裏奇（qí）、聯合技術、伊（yī）頓（dùn）、GE、史密斯宇航、艾嘎設計局等世界知名航空（kōng）企業（yè）建立了長期穩定的合作關係。

隨著航空航天領（lǐng）域發動機產品的（de）更新換代，鈦合金的使用比重越來越大：鈦合金憑（píng）借優（yōu）異的綜合力（lì）學性能、密（mì）度小、抗腐蝕性強等（děng）特點，成為飛機發動機理想的製造材料（liào）。在航空發動機燃油控製係（xì）統中，鈦（tài）合金已逐步取代（dài）耐熱鋼、不鏽鋼等材料，成為各（gè）類連（lián）接件、緊固件等部件的首選材料。但同時，鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點也給加工帶來了極大的挑戰，尤其是（shì）切削刀具，因鈦合金的切削（xuē）性差而導（dǎo）致刀具磨損（sǔn）快等加工難題頻繁出現（xiàn），嚴重影響了加工精度和效率。因此，中航西控（kòng）主（zhǔ）要通過對鈦（tài）合金材料切削加工性能的（de）分析，選用（yòng）合理的加工刀具，確定較優的切削參（cān）數和加工工藝，來找到適合（hé）在（zài）數控車床上對鈦合金軸類零件進行粗加工和精加工的有效途徑。

鈦合（hé）金加工給刀（dāo）具（jù）帶來極大挑戰

鈦的各種屬性使之（zhī）成為具有強大吸引力的零件材料，但其中許多屬性同時也影響著它的可加工性。工（gōng）業中常用鈦合金為兩相鈦合金，即（α+β）鈦合（hé）金，在航空發動機燃油附件中常用TC4、TC6，其中TC4是這（zhè）類合金的典型代表。鈦合（hé）金材料硬度高、切削性能差，且易產生（shēng）加工硬化現象，給切削（xuē）加工（gōng）帶來了困難。針對鈦合金中TC4這類材料的零件，尤其是車削加（jiā）工工藝，中航（háng）西控做了較為深（shēn）入的研究，並取得了一些經驗。

首先，鈦合金的彈性模數小，其中TC4的彈（dàn）性模量E=110GPa，約為鋼的（de）一半，而且導熱性低，因（yīn）而由切削力所引起的被加工件彈性變形大，同時在加工（gōng）過程中會產生較高和較集中的切削力。這樣就容（róng）易產生振動（dòng）而導致切削時出現震顫，降低工件精度，因此（cǐ）要改善加工係統的剛性。

其（qí）次，鈦合金在切（qiē）削加工中所產生的局部高溫，使鈦（tài）很容易吸收大氣中（zhōng）的氧和氮，從而（ér）形（xíng）成又（yòu）硬又脆的外皮。這就（jiù）會（huì）造成工件加工表麵的（de）加工硬化現象，而且加（jiā）工硬化速度快，使得刀具表麵產生嚴重的劃痕，容易在切削過程中產生崩刃現象。

除此之外，鈦合金材料本身的物理和化學（xué）性能使其切（qiē）削（xuē）加（jiā）工（gōng）時與（yǔ）工件親和力大（dà），切削加工時刀具與工件接觸時易產生（shēng）黏刀現象，增大了刀具與工件間的摩擦，產生大（dà）量的切削熱。由此產生的（de）大量切削熱無法及時通過切屑（xiè）散發出去，大大降低了刀具的使用壽命。因此加工鈦合金的刀（dāo）具必須具備高熱硬度。

鈦合金加工（gōng）是一項係統工程（chéng）

中航西控所製造的航空發動機燃油控製係統中，鈦合金零（líng）件以小型軸類零（líng）件為主，車削加（jiā）工為其主要加工手段。

這裏的鈦合金加工可以被看作是一項係統工程，需要（yào）從加（jiā）工設備、切削刀（dāo）具、切削（xuē）參數、冷卻液等多個角度進行考慮。就加工設備（bèi）而言，鈦（tài）合金加工需要機床加（jiā）工性能好，冷卻充分，所以加工設備選擇加工精度較高（gāo）的數控車床，加（jiā）工時主軸震動極小加（jiā）工（gōng）穩定性好。

用於鈦合金加工的刀具材（cái）料的（de）硬度及耐磨性要（yào）好，具有極好的耐（nài）熱性、在高（gāo）溫下能保持較高的強度及韌（rèn）性，以及一定的抗衝擊性和抗破（pò）壞（huài）性。滿足以上要求的刀具有：陶瓷（cí）刀具、塗層硬質合（hé）金刀具、立（lì）方氮化硼刀具（CBN）及類金剛石刀具（PCD）等。其中塗層硬質合金刀具價格低廉，且具有良好的導熱性和較高的硬度，在紅硬性和韌性等方麵也表現出色，雖然比陶瓷、立方氮化硼刀具（CBN）、類金（jīn）剛石刀具的（de）耐熱性（xìng）和化學（xué）穩定性要差一些（xiē），但比陶瓷和類金剛石刀具具有較高的抗衝擊性和抗破壞性。因此已成為加工鈦合（hé）金的首選刀具（jù）。

在車削參數方麵，鈦合金加工也是需要更多考量的。如切削速度的設定，過高的切削速度會導（dǎo）致切削（xuē）熱升高，刀具切削刃（rèn）過熱、粘結現象嚴重，刀具磨（mó）損加重，會縮短刀具使用壽命；同時會導致鈦合金工件（jiàn）表層開裂或氧化，影響（xiǎng）工件的力學性能，所以應在保證較大的刀具耐用度（dù）下，選擇適當較低的切削速度，降低加工成本並保證加工質量。其次是切削（xuē）深度（dù）的設定，因鈦合金工件加工前須進行預備熱處理，使得工件表麵有一層（céng）氧化層，為提高刀具的耐（nài）用度應（yīng）采用相對較大的切削深度，可以直接切入鈦合金機體未氧化的金屬層（céng），提（tí）高刀具使用壽命。另外一個參數設定（dìng）時需要考慮的是進給量，進給量的大小對產生切削溫度的大小影響不是很大，在保證（zhèng）加工效率（lǜ）的前提下，減小切削速度增大進給量是合理的切削方式。

為保證加工質量及提高刀具的（de）耐用度，還應考慮到冷卻液的使用，比如（rú）要充分對（duì）加（jiā）工區域（yù）進行冷卻，冷（lěng）卻（què）液不僅可以有效降低切削（xuē）溫度，還可以減少切削時對刀具的黏結現象，提高效率，延長刀具使用壽命。

硬質（zhì）合金（jīn）塗層刀具改善加工

旋（xuán）轉類零件如某螺塞零件，最大外圓直徑為φ33.8，材料為TC4，原材料選用φ30棒材（cái）。零件采用一次（cì）車削加工完成（如圖1）。為了保證零件加工精度，加工設備選用了進口數控車床，其（qí）主（zhǔ）軸（zhóu）轉速最（zuì）高6000轉/分，主軸跳動小於2μm，加工時主軸震動極小加工穩定性好，冷（lěng）卻液可由3個方向噴（pēn）出，冷卻充分。

進行外圓車削時（shí），初期選（xuǎn）用了某知名品牌硬質合金塗層刀具，按照廠家推薦的切削參數進行加工（gōng）。由於零件來料狀態為圓棒料，表麵有熱處（chù）理氧化層，加工時刀具的（de）邊界磨損嚴重，致使加工（gōng）10～15件零件刀具就產生不同程度（dù）的磨損及崩刃現象（如圖（tú）2），無法滿足批量生產的加工需求。

後期經（jīng）過反複試驗（yàn）驗證，中航西控最終選用了瓦爾特（tè）公司同等價格（gé）下的硬質（zhì）合金塗層刀具：外圓粗加工選用WNMG080404-NM4 材（cái）質WSM30；外圓精加工選用CCMT09T304-PF4材質WSM30（如圖3），此刀片同時用於（yú）鏜孔（kǒng）加工。

WNMG080404-NM4材質（zhì）WSM30刀（dāo）片是一款（kuǎn）W形負型刀片，雙麵6個（gè）有（yǒu）效切削刃，NM4是專為不鏽鋼和難（nán）加工材料設（shè）計槽型（xíng），適合中等切削，在單邊餘量（liàng）0.5~4mm，進給0.16~0.25以內，都可以形成完美的切屑。WSM30材質的抗衝擊性能非常強，刀片塗層則是采用了Al2O3物（wù）理（lǐ）塗層，既確保了刃口的鋒利性，又具有出色的（de）紅硬性，有效延長了刀具壽命。

CCMT09T304-PF4材質WSM30刀片是C形正型刀（dāo）片，PF4是專為不鏽鋼和難加（jiā）工材料設計的精加工槽（cáo）型，適合單邊（biān）餘量在1.5mm以內的（de）精車加（jiā）工。

由（yóu）於TC4的加（jiā）工特性及刀（dāo）具材（cái）質WSM30的（de）特性，使切削時產生（shēng）大量的（de）熱（rè）量，加工區（qū）溫度可達到800℃ 以上，而刀具切削區的高溫可對工件的切削（xuē）層產（chǎn）生退火和軟化效應，可很大程度上消除（chú）零件的加工硬化現象；同時硬質合金塗層刀具耐高（gāo）溫且紅硬性好，使（shǐ）得工件粗車（chē）加工時較易切削；粗加工用（yòng）WNMG080404-NM4刀片為凸三角（jiǎo）形刀片，負型刀片，可以正反使用，共6個刃可使（shǐ）用6次，大大降低了粗加工時的刀具費用。

粗加工選擇低（dī）轉速（sù）大進給（gěi）量，切削參數（shù）選擇：切削深度ap=0.8～1.2 mm；進給量F=0.18～0.4 mm/n；主軸轉速S=600～1000rpm。粗車刀片一個刀刃可加工25～30件零件。精加工及鏜（táng）孔加工切削參數選擇：切削深度ap=0.2mm；進給量F=0.1mm/n；主軸轉速S=2000rpm左右，精車刀片（piàn）一（yī）個刀刃可加工45～50件零件（jiàn），鏜孔（kǒng）加工時一個刀刃可加（jiā）工35～45件，加工後零件的表麵粗糙度可達Ra0.8，尺寸精度可控製（zhì）0.005mm以內（nèi），滿足了零（líng）件的設計要求，而且車削零件時（shí）的加工硬化（huà）現象基本消除，大大（dà）提（tí）高了加工（gōng）效（xiào）率及刀具使用壽命。

鈦合金以其優良的性能（néng）在國內外航空（kōng）航天工業領域的使用率在逐年提升，但受加工成本高、加工（gōng）效率低、刀具耐用度低等問題的影響，應用層麵一直受到比（bǐ）較大的阻礙，通過以上對鈦合金（jīn）切削性能分析、合（hé）理選擇刀具（jù）及加（jiā）工參數，有效（xiào）的解決了鈦合金（jīn）零件車削時刀具耐用度低等問題（tí）。實踐證明數控車床、硬（yìng）質合金塗層刀具不失為（wéi）加工（gōng）鈦合金的利器，在車削（xuē）刀具選擇上瓦爾特公司的產品是一種比較經濟的選擇。

圖1 產品零件（jiàn）圖

圖2 刀具的磨損形式

圖3 硬質（zhì）合金（jīn）塗層粗、精加工（gōng）刀具

圖4 現場加工圖

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