Ti55531是一種新興的近β型超高強度鈦合金，以韌性高、塑性低和耐腐蝕性受到重視。特別適合制造承受巨大應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件和起落架、機翼、發(fā)動機掛架之間的連接裝置等，在航空、航天工業(yè)中日益受到青睞[1]。國內(nèi)、外關(guān)于超高強度鈦合金的報道僅僅停留在性能研究上，研究重點也僅僅局限于強度和工藝性能的提高，缺少對其加工工藝的系統(tǒng)研究。目前最新研制的某型機起落架上的車架橫梁，采用了Ti55531鈦合金材料作為重要承力件，尚屬國內(nèi)首次應(yīng)用，該零件采用了模鍛技術(shù)，鍛件供應(yīng)狀態(tài)為固溶+時效，與已經(jīng)成熟運用的鈦合金TC6和TC18相比，對Ti55531鈦合金材料的金屬切削性能知之甚少。
為此，對Ti55531鈦合金材料的機械加工流程、刀具的選擇及車削、銑削參數(shù)的確定及優(yōu)化等進行了研究。交付了滿足設(shè)計要求的Ti55531鈦合金橫梁產(chǎn)品，在同行業(yè)中屬于領(lǐng)先水平，總結(jié)出的經(jīng)驗對后續(xù)產(chǎn)品的加工具有借鑒意義。
1、工藝難點
[1]Ti55531同TC18相比，都是近β型鈦合金，但Ti55531鈦合金以較高的韌性、塑性和耐腐蝕性而著稱，熱處理強度不低于1240MPa，遠比TC18的強度高，屬于近幾年國內(nèi)正在研究的新型超高強度[1 250 MPa~ 1 400 MPa]鈦合金材料，在國內(nèi)用于產(chǎn)品制造尚屬首次。
[2]從目前公開的資料來看，國內(nèi)外關(guān)于超高強度鈦合金僅僅停留在性能研究上，研究重點也僅僅局限于強度和工藝性能的提高，對于材料的切削性能改善、刀具系統(tǒng)加工工藝方面缺少系統(tǒng)研究
[3] Ti55531鈦合金車架橫梁結(jié)構(gòu)屬于回轉(zhuǎn)體，涉及的工藝包括深孔鉆鏜、車削和數(shù)控銑削技術(shù)，產(chǎn)品采用整體模鍛，來料供應(yīng)狀態(tài)為固溶+時效，相對于實現(xiàn)規(guī)?；こ踢\用的退火態(tài)TC6和TC18起落架零件，Ti55531鈦合金鍛件塑性更低，由于鈦合金本身導(dǎo)熱系數(shù)低、加工硬化傾向高等特性，在機加過程中易造成刀具切削力大，切削溫度高，刀具易磨損，壽命低和粘刀，存在零件燒傷和應(yīng)力集中等潛在風(fēng)險。
2、方案設(shè)計
所加工的零件為車架橫梁，如圖1所示，零件包容體尺寸為1550mmx290mmx315mm，零件重量102.89kg。
根據(jù)其特點，確定該產(chǎn)品的加工流程如下:
領(lǐng)料→劃線→數(shù)控鏜→車工→超聲波→深孔→數(shù)控車→車銑→吹砂→去應(yīng)力回火→數(shù)控車→數(shù)控鏜→鉗工→清洗→稱重→總檢→滲透檢查→噴丸→吹砂→成檢→防護入庫
3、機加工藝
根據(jù)車架橫梁的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)[回轉(zhuǎn)體]，結(jié)合其制造精度要求和設(shè)備現(xiàn)狀，在模鍛設(shè)計時，新增工藝圓凸臺，用于深孔加工，涉及的主要制造設(shè)備包括深孔鉆鏜床、數(shù)控車床和數(shù)控加工中心或車銑復(fù)合，工藝制造技術(shù)包括深孔鉆鏜工藝、車削工藝、鉗工技術(shù)和數(shù)控加工，實現(xiàn)產(chǎn)品的制造根本在于制造技術(shù)的支持，在于刀具的優(yōu)化選擇和工藝參數(shù)的匹配。
3.1刀具對比選擇
根據(jù)Ti55531材料的性能，參考使用TC18比較成熟的切削參數(shù)，選擇不同刀具的原材料，幾何形狀[影響表面質(zhì)量、排屑效果、刃口強度、毛刺、振刀等]進行試切加工，根據(jù)刃口壽命確定合適加工Ti55531材料的刀具。圖2所示。
在相同的切削參數(shù)下使用不同刀具的加工對比如表1、表2.
表1 相同切削參數(shù)不同刀具情況下車削加工對比數(shù)據(jù)
| 切削參數(shù) | 刀具使用壽命t[min] | |||
| 轉(zhuǎn)速s /[r/min] | 進給f /[mm/d | 切深a, /mm | DNMG150604MS [KC5510] | DNMG441-PP DCMT11T304-SM [IC907] [GC 1030] |
| 60 r/min | 0.2 mm/r | 0.5~1 mm[粗] 0.2~0.5mm[精] | 30-40 min | 40~50 min 20~30 min |
表2 相同切削參數(shù)不同刀具情況下銑削加工對比數(shù)據(jù)
| 切削參數(shù) | 刀具使用壽命t[min] | ||||
| 轉(zhuǎn)速s /[r/min] | 進給f /[mm/d] | 切深ap /mm | R210-140614E-MM [GC 104O] | FTP LNHT 1006ER [GC 1040] | P26335-R25 [WSM35] |
| 150 r/min | 300 mm/r | 1mm | 80~110 min | 120~150 min | 30~50 min |
在相同的切削參數(shù)下，從表1中可以看出，車刀DNMG441-PP比車刀 DNMG150604MS和車刀DCMT11T304-SM的刃口壽命要長一些。從表2中可以看出，銑刀FTP LNMT 1006ER比銑刀R210-140614E-MM和銑刀P26335-R25的刃口壽命要長1倍多。
依據(jù)以上結(jié)論并結(jié)合實際加工情況，去除余量主要最大的加工方法是銑削和車削,因此,車削時主要選擇車刀 DNMG441-PP,銑削時粗加工主要選擇銑刀FTP LNMT 1006ER.
3.2切削參數(shù)合理選用
在對Ti55531材料進行試切加工過程中，若切削參數(shù)選擇的不合理，刀具就會磨損的相當嚴重，見圖3所示。
為了能較快地得到合理的切削參數(shù)，借鑒了與其材料性能相近的TC18的切削參數(shù)進行對比。表3、表4和表5分別使用同一款刀具在Ti55531材料進行切削參數(shù)對比。
表3車削的切削參數(shù)對比
| 進給量/[mm/d] | 切削時間/h |
| 0.05 | 2.1 |
| 0.1 | 1.8 |
| 0.15 | 1.2 |
| 0.2 | 0.6 |
| 0.05 | 1.9 |
| 0.1 | 1.6 |
| 0.15 | 0.9 |
| 0.2 | 0.4 |
| 0.05 | 1.7 |
| 0.1 | 1.3 |
| 0.15 | 0.9 |
| 0.2 | 0.4 |
| 0.05 | 1.5 |
| 0.1 | 1.1 |
| 0.15 | 0.8 |
| 0.2 | 0.3 |
| 0.05 | 1.4 |
| 0.1 | 1 |
| 0.15 | 0.7 |
| 0.2 | 0.3 |
| 0.05 | 1.1 |
| 0.1 | 0.7 |
| 0.15 | 0.5 |
| 0.2 | 0.2 |
表4端銑刀的切削參數(shù)對比
| 零件材料 | 轉(zhuǎn)速 /[r/min] | 切深/mm | 切寬/mm | 進給量 /[mm/min] | 切削 時間/h |
| 1.5 | 600 | 1.5 | |||
| 15~50 | 400 | 1.8 | |||
| 300 | |||||
| 120 | 1 | 600 | 1.7 | ||
| 15~50 | 400 | 1.9 | |||
| 300 | 2.1 | ||||
| 1.5 | 600 | 1.1 | |||
| 15~50 | 400 | 1.5 | |||
| 300 | 1.7 | ||||
| Ti55531 | 150 | 1 | 600 | 1.5 | |
| 15~50 | 400 | 1.7 | |||
| 300 | 2 | ||||
| 180 | 1.5 | 600 | 0.4 | ||
| 15~50 | 400 | 0.7 | |||
| 300 | 1.1 | ||||
| 1 | 600 | 0.6 | |||
| 15~50 | 400 | 1 | |||
| 300 | 1.4 |
表5表5球頭銑刀的切削參數(shù)對比
| 零件材料 | 轉(zhuǎn)速 /[r/min] | 切深/mm | 切寬/mm | 進給量 /[mm/min] | 切削 時間/h |
| Ti55531 | 100 | 2.1 | |||
| 400 | 0.5~1.5 | 0.8~1.2 | 160 | 2 | |
| 260 | 1.8 | ||||
| 200 | 2 | ||||
| 600 | 0.5~1.5 | 0.8~1.2 | 250 | 1.9 | |
| 350 | 1.7 | ||||
| 200 | 1.9 | ||||
| 800 | 0.5~1.5 | 0.8~1.2 | 300 | 1.3 | |
| 400 | 1 |
從表3、表4和表5及實際加工時發(fā)現(xiàn)，車削時切削深度不應(yīng)大于1mm，否則刀具的刀尖極易崩裂，同時也發(fā)現(xiàn)加工Ti55531的切削用量都要比加工TC18的切削用量低。因此經(jīng)過試切后，得到了表6所示的較合理的切削參數(shù)。根據(jù)該參數(shù)，加工完成了合理的車架橫梁，如圖4所示。通過工藝驗證，外形的粗加工和半精加工時間約在20天。
表6車削、銑削參數(shù)
| 切削類型 | 切削速度 | 切削深度 | 進給量 | |
| 車削 | 車外圓 | 28~50 m/min | 0.2~1 mm | 0.05~0.15 mm/r |
| 鏜內(nèi)孔 | 25~45 m/min | 0.2~1mm | 0.05~0.15 mm/r | |
| 銑削 | 粗加工 | 20~30 m/min | 0.5~1.5 mm | 200~400mm/min |
| 精加工 | 35~55 m/min | 0.3~1mm | 150~350 mm/min |
4、結(jié)論
在優(yōu)選刀具的基礎(chǔ)上，作了大量的轉(zhuǎn)位刀具切削試驗，初步掌握了Ti55531鈦合金新型材料的高效加工技術(shù)，加深了對材料加工特性認識，選擇了適合于Ti55531鈦合金高效加工的刀具，摸索出可轉(zhuǎn)位刀具加工Ti55531鈦合金的合理切削參數(shù)，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。
參考文獻:
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（注，原文標題：Ti55531鈦合金車架橫梁機械加工工藝研究_施曉穎）
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