目前航天產(chǎn)品加工精度要求不斷提高，航天領(lǐng)域中整體結(jié)構(gòu)件不斷增加，高精度、薄壁腔體類零件在航天產(chǎn)品行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。特別是伺服系統(tǒng)中零部件的加工精度控制的好壞，直接關(guān)系到武器系統(tǒng)中的多項(xiàng)性能指標(biāo)要求，該類零件一般由鈦合金坯料整體加工而成，材料去除率最高達(dá)85%以上。同時(shí)，該類零件的一個顯著生產(chǎn)特點(diǎn)是品種多、批量小，甚至是單件生產(chǎn)，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)模式?jīng)Q定了其制造技術(shù)一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，加工制造一直存在加工周期長、加工成本高和加工精度不易控制等難點(diǎn)。

隨著武器系統(tǒng)的更新?lián)Q代以及性能的不斷提升，當(dāng)前彈上伺服系統(tǒng)產(chǎn)品零件更趨向于小體積、高精度發(fā)展，對加工工藝技術(shù)提出更高要求。同時(shí)為了追求小體積、高精度的結(jié)構(gòu)，有時(shí)也無法兼顧產(chǎn)品的加工工藝性。因此，在伺服產(chǎn)品中出現(xiàn)了一種高精度(尺寸精度要求在0.01 mm以上)的內(nèi)腔圓柱面結(jié)構(gòu)零件，該結(jié)構(gòu)機(jī)械加工工藝性差，運(yùn)用傳統(tǒng)的鑄造、機(jī)械加工方法難以滿足零件精度要求。

1. 零件工藝性分析以及工藝方案的制定

( 1 ) 零件結(jié)構(gòu)及工藝性分析。

某球環(huán)框架(見圖1)材料為鈦合金TC4-M，屬于單件小批量生產(chǎn)，零件為精密機(jī)械加工件，零件外形尺寸Sφ 108 mm，壁厚4 mm，屬于薄壁難加工材料類零件，各形位精度和尺寸精度要求高。由于是整料切削成形，在加工過程中易變形，材料切削性能較差，同時(shí)零件結(jié)構(gòu)的工藝性也較差，這為加工帶來了極大難度。因此，選用合理的加工方式及正確的刀具成為加工質(zhì)量保證的關(guān)鍵所在。

(2)加工工藝方案的制定。

通過對球環(huán)框架零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，制定如下工藝流程：坯料→粗加工(采用線切去除余量后再進(jìn)行機(jī)械加工)→熱處理時(shí)效→精加工→交驗(yàn)，加工難點(diǎn)為內(nèi)腔圓柱面φ 22-0.002-0.010 mm的加工以及形位公差的保證，其結(jié)構(gòu)以及材料加工工藝性差，標(biāo)準(zhǔn)的刀具無法對其進(jìn)行機(jī)械加工。

通過對球環(huán)框架零件結(jié)構(gòu)的分析，針對球環(huán)框架φ 22-0.002-0.010 mm圓柱面和φ 20+0.008+0.002 mm孔采用如下加工方案：粗加工時(shí)通過正反兩面兩次裝夾采用三維切削加工出內(nèi)腔圓柱面，單邊留1 mm余量，精加工時(shí)在五軸加工中心采用專用鏜刀加工φ 22-0.002-0.010 mm內(nèi)腔圓柱面，專用鏜刀能進(jìn)行高精度微調(diào)，從而保證了φ 22-0.002-0.010 mm圓柱面的尺寸精度，同時(shí)采用五軸加工中心一次裝夾完成φ 22-0.002-0.010 mm圓柱面和φ 20+0.008+0.002 mm孔的加工，保證了零件同軸度、垂直度公差要求。

2. 專用鏜刀的設(shè)計(jì)

(1)零件材料特性分析。

球環(huán)框架零件材料為鈦合金TC4-M，其具體特性如下：①鈦合金的導(dǎo)熱性差，是不良導(dǎo)熱體金屬材料，切削加工時(shí)，切屑與前刀面的接觸面積很小，特別容易引起薄壁件的熱變形。②鈦合金彈性模量低，彈性變形大，鈦合金彈性模量為1 078 MPa(約是鋼的1/2)，切削時(shí)接近后刀面處工件的回彈量大，導(dǎo)致已加工表面與后刀面的接觸面積特別大。造成加工件幾何形狀和精度差，表面粗糙度值增大，刀具磨損增加。③鈦合金的親和性大、切削溫度高。切削時(shí)，鈦屑及被切表層與刀具材料咬合，產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象，容易引起刀具強(qiáng)烈的粘結(jié)磨損。鈦合金的高溫化學(xué)活性強(qiáng)，在600 ℃以上時(shí)，與氧、氮產(chǎn)生間隙固溶，吸收氣體后鈦合金表面的硬度明顯上升，對刀具有強(qiáng)烈的磨損作用。因此，要求加工鈦合金的刀具具有高強(qiáng)度、高韌性的同時(shí)，還要有高的紅硬性。

(2)專用鏜刀的設(shè)計(jì)原理。

通過對零件材料性能的分析，結(jié)合零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了專用于φ 22-0.002-0.010 mm圓柱面加工的鏜刀，鏜刀結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)鏜頭1、刀桿2、緊固螺釘4、刀片3，刀片安裝在刀桿一端的方孔內(nèi)，緊固螺釘將刀片緊固在刀桿上，將標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)鏜頭與機(jī)床主軸連接。被加工零件緊固在數(shù)控加工中心輔具上，使加工部位與主軸垂直，通過以上所述鏜刀對零件內(nèi)腔圓柱面進(jìn)行鏜削加工，加工過程中可以根據(jù)實(shí)際測量尺寸，通過調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)鏜頭對刀片進(jìn)行微調(diào)，從而保證零件加工精度。標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)鏜頭調(diào)節(jié)范圍在0.06 mm以內(nèi)，直徑微調(diào)精度在0.002 mm以上，其加工時(shí)的狀態(tài)如圖3所示。

(3)鏜刀刀桿的設(shè)計(jì)原理。

根據(jù)球環(huán)框架零件材料特性，刀桿應(yīng)具有較高的強(qiáng)度以及良好的韌性，因此，刀桿材料選用合金工具鋼CrWMn調(diào)質(zhì)料(32～35 HRC)，受球環(huán)框架零件內(nèi)孔尺寸限制，刀桿直徑應(yīng)小于19 mm，同時(shí)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)鏜頭接口進(jìn)行配作，配合間隙控制在0.01 mm以內(nèi)。

(4)鏜刀刀片的設(shè)計(jì)原理。

針對鈦合金材料的加工，刀片材料選用YL10.2細(xì)晶粒硬質(zhì)合金報(bào)廢刀具作為原材料，采用線切割加工成形后，在工具磨床上加工出前后角。此類材料導(dǎo)熱性好，有利于熱量的散發(fā)和降低切削溫度，同時(shí)具有良好的韌性和高的紅硬性。

切削鈦合金時(shí)，刀具后角α 0是所有刀具參數(shù)中最敏感的，因?yàn)榍邢鲗酉碌慕饘購椥曰謴?fù)大和加工硬度大，一般采用大后角可使刃口易于切入金屬層，減小后刀面的磨損，但后角過小(小于15°)會出現(xiàn)金屬的粘附現(xiàn)象;而后角過大，刀具將被削弱，刀刃容易崩碎。因此，大多數(shù)切削鈦合金的刀具采用15°后角。從刀具耐用度來看，α 0小于或大于15°，都會降低車刀的耐用度。此外，α 0為15°的刀具刀刃比較鋒利，并可降低切削溫度。

由于鈦合金在切削過程中，會與空氣中的氧、氫、氮等形成硬脆化合物，造成刀具磨損(主要發(fā)生在刀具前刀面上)，因此應(yīng)采用小值前角;此外，鈦合金的塑性低，切屑與前刀面的接觸面積小，為此也應(yīng)選用小值前角，這樣做可增加切屑與前刀面的接觸面積，使切削熱和切削壓力不至于過分集中于刃口附近，既有利于散熱，又加強(qiáng)刃口，避免因切削力集中而產(chǎn)生崩刃。因此，用硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金時(shí)，取前角γ 0=5°左右并磨出倒棱f(寬度為0.05～0.1 mm)，γ f=0°～10°，刀尖磨成r=0.5 mm小值圓弧，刃傾角λ =+3°。

3. 結(jié)語

鈦合金零件加工在機(jī)械制造業(yè)中占有很重要地位，鈦合金材料的切削加工一直是當(dāng)前加工工藝技術(shù)的難點(diǎn)。為了滿足航空航天對于鈦合金工件日益增長的需求，我國的鈦合金切削加工必須有長足的進(jìn)步。在基于國內(nèi)的材料、機(jī)床和管理等條件基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)鈦合金材料加工工藝路線的優(yōu)化、加工參數(shù)的優(yōu)選，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，是推動國內(nèi)鈦合金產(chǎn)業(yè)和航空航天工業(yè)發(fā)展的重要因素。文中設(shè)計(jì)的內(nèi)腔圓柱面精加工鏜刀，結(jié)構(gòu)簡單，制造使用都很方便，解決了球環(huán)框架零件加工工藝難題。