钛合金高精度大批量垫片车削工艺

西安北方光电科技防务有限公司 （陕西 710043） 王文仲 吕兴平 王 斌

随着科学技术的发展以及产品可靠性要求的不断提高，产品装配调试需求钛合金垫片也越来越多。这类环形片状垫片的结构虽然简单，其厚度在0.4～0.7mm，其表面质量和几何形状精度要求较高，由于其自身刚性差以及钛合金材料的难加工性，使得垫片的加工精度很难保证。本文通过对钛合金垫片的车削过程控制，并在实践中证明该车削工艺有效地解决了钛合金高精度大批量垫片质量控制问题。

1.车削垫片的工艺分析

如图1所示的结构为垫片，材料为钛合金，用通常的卡盘夹紧车削的加工方法无法保证零件的精度要求。此零件为环形薄片零件，加工难度有三点：一是如何解决钛合金材料的刀具问题；二是如何保证零件的加工尺寸精度及形位公差；三是如何保证大批量生产。

图1

2.目前车削钛合金垫片存在问题

（1）钛合金属于难加工材料，使用普通刀具车削钛合金材料，刀具磨损快，表面粗糙度值大，精度无法保证。

（2）在切削力的挤压作用下导致零件变形，特别是背向力的作用使垫片受到挤压作用使其变形，直接影响垫片的尺寸精度及形位公差。

（3）垫片刚性差，壁超薄，强度低，在切削过程中容易产生振动使其变形。由于每次车削时，其内部应力的释放使其弯曲、扭曲变形。

（4）装夹方式及夹紧力变形。由于垫片壁超薄，如果采用径向夹紧，受径向力的作用使零件产生弹性变形。

（5）切削热变形。由于垫片材料为钛合金，其强度高不易车削，切削热集中于刀尖部位，刀具高温硬度、强度受到影响，刀尖磨损加剧，热量集中使垫片变形，特别是在车削端面时，超薄垫片零件因单面受热，在左右端面间形成温差而变形，造成的几何形状误差非常明显，从而影响零件的加工精度。

（6）切削用量引起的变形。合理选择切削用量能够有效地减小切削力，从而减小零件变形。

（7）钛合金原材料均采用钛棒加工，目前垫片的制造方法是采用高精度数控线切割设备，使用“慢走丝”加工，这种加工方法的缺点是制造周期长，生产效率低，制造成本高，满足不了批量生产需求。

3.解决措施

（1）针对钛合金难加工材料，进行了大量的试验及总结：①刀具材料的选择。应尽可能采用硬质合金刀具，并应选用与钛合金亲和力较小的YG类硬质合金。如为断续切削或有冲击时，也可采用高速钢刀具（如W2Mo9Cr4VCo8等），或采用超细颗粒的硬质合金（如YG10H、YG8W等）。②合理选择刀具几何参数。刀具的磨损、刀钝会使零件主切削抗力增大，造成垫片变形，刀具切削刃太锋利虽然有利于切削，但刀具强度较低，刀具易于磨损，反而使切削力增大，同样使零件变形，通过反复加工实践，在精加工时，前角取γo=15°～20°，后角取αo=8°～12°。③切削用量的选择。选用较低的切削速度及较大的进给量和切削深度。用硬质合金车刀车削时，可取f=0.1～0.3mm/r；粗加工时切削深度一定要大于氧化皮的深度。

（2）选择合理的装夹方式，采用轴向压紧，减小工件的几何形状误差，夹紧力不宜过大，以免工件变形。

（3）细化加工工序，减小垫片变形。垫片加工过程分段进行，粗、精加工分开进行，避免工序集中，消除精加工时切削力较大引起的变形，粗车后零件通过热处理时效消除残余应力，减小零件的应力变形。

（4）合理选择切削参数。在有效保证零件加工精度的情况下，提高加工效率。根据经验及加工实践，精加工时切削速度v=50m/min，进给量f=0.06～0.1mm/r，零件越薄进给量要越小，背吃刀量ap=0.05～0.1mm。

（5）选择切削液，采用湿加工降低切削区温度，提高表面质量，延长刀具寿命。一般应选用极压乳化液来冷却，流量应充足。充分使用切削液进行冷却，防止零件热变形。

（6）设计合理的夹具，控制垫片的变形和满足批量生产需求。根据垫片的结构和需要，尽力满足垫片的加工精度，设计了简易夹具，如图2、图3所示。通过夹具装夹零件，有效地防止了工件在装夹中的变形，保证了零件的加工要求。

图2

4.工艺方案

垫片加工工艺流程：下料→粗加工→热处理（时效）→精加工。

图3

（1）粗车削加工如图4所示。钳工钻孔3个φ4mm孔（多件加工）。

（2）使用软爪夹持外圆φ52mm车削，保证形位公差要求，平面度0.01mm，垂直度0.015mm，内孔φ20H9，倒锐角毛刺（见图5）。

（3）将垫片装夹到端面车削夹具内（见图2），以外圆φ52mm定位，用压紧螺母压紧，车削端面时由压紧力位置向内车削，背吃刀量不大于0.1m m，保证尺寸公差要求，车削的最大外圆尺寸要大于φ50mm。

（4）以垫片孔定位，将零件装夹到外圆车削夹具内（见图3），在端面用压板压紧，车削外圆达到图样要求（多件一起加工）。

图4

图5

5.结语

通过运用以上车削过程控制，有效防止了垫片在车削过程中的变形量，使零件尺寸精度及形位公差要求得到保证，加工质量稳定，并且提高了生产效率，降低了制造成本。钛合金高精度大批量垫片车削工艺实用性强，具有较好的推广作用。