TC4钛合金浮球车削加工研究

2019-12-26刘卫标

世界有色金属 2019年18期

刘卫标

（云南昆钢重型装备制造集团有限公司，云南昆明 650501）

钛合金浮球因其独特的高强度，耐腐蚀性等特点，广泛应用在深海领域，探测海底地形地貌，海底生态环境。随着我国海洋产业的发展，深海探测将越来越频繁，对钛合金浮球的需求将越来越大。但是，由于钛合金难以加工的性能，造成浮球产量受限，成本高居不下。如何突破加工瓶颈，成为大家攻克的难关。

1 TC4钛合金材料性能

钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于(a+b)型钛合金，具有良好的综合力学机械性能。TC4的强度sb=1，012MPa，密度g=4.4×103，比强度sb/g=23.5。热导率低l=7.955W/m·K，为铁的1/5、铝的1/10。弹性模量较低E=110GPa，约为钢的1/2。

钛合金屈强比高，变形抗力和变形回弹量大，在薄壁部位车削加工时容易产生变形。钛金属在高温下仍能保持其硬度和强度，因而切削刃会遭遇高作用力和应力，再加上切削区产生的高热，意味着很可能出现加工硬化，这会导致某些问题产生，特别是不利于后续切削工序。钛合金化学活性高，在高温下加工易与刀具材料起反应，形成溶敷、扩散，造成粘刀、烧刀、断刀等现象。因此切削加工时冷却液要保证充足，冷却液循环速度要快，切削液流量和压力要大[1]。

2 钛合金浮球特点

①该球体有上下两半组成，装配后，两球体球心不重合，直径最大为700mm；成品重量约90kg半球重量45kg。②该球体为薄壁件，最薄处厚度为13mm，最厚处26mm。③两个半球的结合面、尾部端面加工精度要求高，表面精度Ra0.8。

加工好的浮球如下图所示。

图1 浮球成品

3 切削加工

3.1 粗车加工

粗车是指表面的粗度加工，主要是将工件表面的剩余材料切削掉，对表面要求不高，以及几何尺寸也要求不高。粗车加工主要是去除加工表面大部分的加工余量，在允许的范围内应尽量选择的大的切削深度和进给量，以生产效率为主。粗车时，采用普通的卧式数控车床，刀具选用YG3，YG8。钛合金车削时表面会硬化，采用大的进刀量，刀尖要吃过表面硬化层，配上合适的转速，粗车吃刀量0.8mm效果较好。由于加工余量较大，最大切削深度曾经达到1.8mm。YG8硬质合金刀具特点。密度：14.6-14.8；硬度HRA：90.5；抗弯强度2300Mpa。抗弯强度高，抗冲击，抗振性较好，适于铸铁、有色金属及其合金、非金属材料的低速粗加工。

图2 初加工

3.2 精车加工

精车是加工工艺中的精加工工序，需要保证产品的尺寸公差，形位公差，表面粗糙度的相应要求。精加工主要是达到零件的全部尺寸和技术要求，半精车和精车应尽量选取较小的切削深度和进给量，而切削速度则可以取高点，精车要求车削深度要小，走刀量也要小，精车完毕后，不但工件的直径几何尺寸要合格，而且对表面的粗糙度要求也要合格[2]。

钛合金化学活性高，在高温下加工易与刀具材料起反应，形成溶敷、扩散，造成粘刀，加工时要选用不含钛元素的刀具，对比后发现山特维克的专用车刀比较理想，刀具材质选用1105或者1115。

精车分内腔加工与外壁加工两道工序。

（1）内腔加工在数控立车上进行，加工时转速不易过快，上端部加工转速控制在42r/min以内。随着加工越来越靠近底部，直径越来越小，线速度越来越快，当线速度升高到一定程度时，应及时调整，最高转速不能超过75r/min。切削液用的是安默琳（ARMORINE）半合成冷却液，型号为METKOOL605。精加工采用中等进刀量，基本控制在0.5mm，最后一刀控制在0.05mm。加工两个半球的接合面时，要求表面精度Ra0.8。将转速控制在40r/min，配合0.05mm的进刀量，成品检验时光洁度为R0.47。

图3 外壁加工

图4 内壁加工

（2）外壁加工时，应先在铣床上加工掉底部的工艺夹头。安装紧固采用专用工装夹具，确保工件稳固。

外壁加工工艺与内壁加工相同。

4 钻孔加工

TC4钛合金的攻丝是一大问题，只能采用手动攻丝，攻丝前先用机床引一下（大概2牙～3牙）。丝锥选用日本螺旋丝锥，要保证丝锥的排屑性好，有条件应减小丝锥刀口后角，尽量减少丝锥和TC4的接触面积，润滑液用四氯化碳。工件上直径30mm的孔有光洁度要求，先用25的钻头打个孔，然后用镗的方式加工，同样用大吃刀低转速，不能直接钻[3]。