钛合金涡轮蜗杆安装座数控加工浅析

黄斌

摘要：本文针对某产品钛合金壳体的结构特点，对数控加工的难点及加工方法进行了分析探讨，重点介绍了内孔的数控镗削加工，并介绍了一种消除重复定位间隙的方法，通过实际加工，本文提供的加工方法能够满足设计要求，给以后加工类似零件提供借鉴经验。

关键词：钛合金；壳体；定位夹具；数控镗孔；零点找正

1 引言

钛合金以其比强度高、机械性能及抗蚀性良好而成为飞机及发动机理想的制造材料，但由于其切削加工性差，长期以来在很大程度上制约了它的应用。随着加工工艺技术的发展，近年来，钛合金已广泛应用于飞机发动机的压气机段、发动机罩、排气装置等零件的制造以及飞机的大梁隔框等结构框架件的制造。

某产品壳体零件材料为钛合金TC6，属难加工材料并且尺寸精度要求高，尤其是壳体内孔的加工尺寸精度和形位精度要求都很高，而内孔又是用于涡轮和蜗杆的安装，孔尺寸精度和形位精度的好坏直接影响涡轮蜗杆的装配。

2 壳体结构分析及加工难点

2.1 结构分析

图1所示为某产品壳体结构示意图，该壳体结构并不是很复杂，但是零件外形不规则，壳体内部由一大一小的内孔十字相贯，外形由一圆柱和一方形凸台相交组合而成。加工外形时不能够一次车成型，还需要数控对外形进行加工。另外，内孔为台阶孔，其中φ26+0.016 +0.007，φ27+0.05 0，φ27组成一组台阶孔。

2.2 加工难点

①材料难加工。材料为钛合金TC6，切削加工性能差，容易粘刀，加速刀具的损坏。在切削区局部温度高，因而影响刀具的耐用度。另外，毛坯为棒料，余量较大，给加工增加了很大难度。

②内孔φ26+0.016 +0.007公差带仅为0.009，空间尺寸27+0.02 0很难控制。

③形位公差要求高，垂直度不大于0.014，圆柱度不大于0.012，圆度不大于0.012。

3 壳体φ26+0.016+0.007内孔的加工

3.1定位夹具设计

如图2所示，定位夹具大外圆φ140，定位部位圆柱直径φ47-0.005 -0.010，在φ140圆柱面上加工一处平面，尺寸为50，大于尺寸42，目的是在装夹时该平面可以作为靠平基准，并且保证零件小端面与台虎钳不干涉。

该定位夹具可以起到定位作用并且在压紧零件时，虎钳钳口不直接夹住零件端面，避免压伤零件。此外，加工内孔φ26+0.016 +0.007需要两个圆柱定位夹具其中一件为铝制件，另一件为钢制件，铝制件为粗铣内孔时用，定位间隙允许为0.02。钢制件为半精镗、精镗内孔时用，定位间隙为0.005，尽量减小定位误差对尺寸精度的影響。

3.2加工方案确定

壳体内孔φ26+0.016 +0.007加工步骤：钻φ26+0.016 +0.007底孔为φ16→铣至φ25.6→半精镗至φ25.84→精镗内孔φ26+0.016 +0.007。

3.3 粗铣孔

3.3.1 铣刀的选择。查阅相关资料，加工钛合金应选择硬质合金刀具，因此粗铣孔采用的铣刀为φ10×22的三齿合金铣刀。

3.3.2 装夹方法

切削钛合金时吃刀抗力较大，故工艺系统需保证有足够的刚度。由于钛合金易变形，所以切削夹紧力不能大，必要时可使用一定的辅助支承。粗铣孔时采用两次装夹掉头加工孔。主要是铣刀的长度不够制约，刀具越长刚性不够，切削效果不理想。如图3所示，第1次装夹时，首先在机床台面上固定住精密台虎钳，并校准。然后将零件和定位夹具一起装到台虎钳上找到合适的装夹位置，然后安装辅助定位支承，并校准。装夹零件时，将零件方形凸台的上平面贴住辅助支承平面，留出一定的位置作为校正零件用。

3.3.3 粗铣内孔。切削钛合金一般采用较低的切削速度、适中的进给量和较大的切削深度。切削速度宜低，以免切削温度过高；进给量适中，过大易烧刀，过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快；切削深度可较大，使刀尖在硬化层以下工作，有利于提高刀具耐用度。切削参数给定为：主轴转速S=300r/min，进给量F=20mm/min，切削深度10mm。

粗铣内孔至φ25.6的同时，将φ27+0.05 0内孔粗铣至φ26.5，并将端面铣平，保证尺寸84±0.2要求。然后用数控车床将内孔φ27加工至尺寸，这样做的目的是在进入半精镗和精镗时减少镗孔的切削面积，能有效的保证内孔φ26+0.016+0.007尺寸精度和形位公差。

3.4 半精镗、精镗孔

3.4.1 镗刀的选择。镗刀选择半精镗刀、精镗刀两种。镗刀采用进口的501白钢刀磨制而成。合理的镗刀片几何角度对镗孔切削力的大小、工件表面质量都是至关重要的。我们知道，刀具的主要几何角度对切削力的影响是很大的。刀具前角大小，决定了刀具的锋利程度。前角大，摩擦力减小，切削阻力小。若前角过大，会使刀具的楔角减小，刀具强度减弱，具散热条件差，切削阻力大，刀磨损加快。而在镗孔加工中，前角取10°～15°较合适。粗镗时取较小前角10°，精镗时取较大前角15°。钛合金已加工表面弹性恢复大、冷硬现象严重，采用大后角可减小对后刀面造成的摩擦、粘附、粘结、撕裂等现象，以减小后刀面的磨损。各种切削钛合金刀具的后角基本上都大于等于15°。后角取15°～20°较合适。粗镗时取较小后角15°，精镗时取较大前角20°。

3.4.2 装夹方法

镗孔装夹方法和粗铣孔装夹方法一致，但只进行一次装夹，利用镗刀将两端内孔φ26+0.016 +0.007一次镗到位。见图4。

定位可靠性分析：定位夹具与孔配合间隙0.005，精密台虎钳精度高0.005，装夹时夹紧力方向为Y方向，并用辅助支承靠住零件工艺基准面，装夹可靠，零件定位精度高。

3.4.3 找正零件坐标零点。

1）首先明确坐标零点位置，如图5所示，零件坐标零点设置在φ26+0.016+0.007孔中心位置处，Z0设置在凸台平面上。

2）如图5所示，校直B工艺基准面。在找正坐标零点之前首先校直B面，保证两孔轴线互相垂直。

3）如图5所示，设置X0，常规做法是校正φ68-0.05-0.10外圆图示位置1和位置2处找到零件中心，然后向凸台位置移动27.01（注：仅移动X轴），然后清零，完成X0设置。但由于数控机床本身存在一定的轴向间隙，造成重复定位误差，在找正X0过程中，会造成零点设置误差。采用以下方法消除轴向间隙带来的不利影响：当百分表位于图示位置1时，找正零件φ68-0.05-0.10外圆，当主轴向位置2移动时，主轴应超出位置2多移动一段距离直到位置3，然后再返回位置2找正φ68-0.05-0.10外圆，确定零件中心，然后再向凸台位置移动27.01mm（注：仅移动X轴），然后清零，X0就设置完成。在找正过程中有一点特别重要，那就是必须先找正位置1，不允许先找正位置2。这样可以消除是X轴变向时产生一定的定位误差。通过运用该方法，尺寸27+0.02 0得到有效的控制。

4）如图5所示，按照消除轴向间隙的方法，首先将Y轴移到位置4，然后再返回到找正端面A，最后将Y轴向负方向移动31mm，数据清零，Y0设置完成。

5）如图5所示，找正尺寸84±0.2端面，数据清零，设置Z0。

3.4.4 装夹、找正好零件后，对孔进行加工，首先，进行半精镗，切削参数的选择：主轴转速100r/min，进给量15mm，切削深度0.12mm。加工至尺寸φ25.84，并利用内径千分尺测量内孔尺寸，根据实测值进行适当的调整达到理想状态。其次，进行精镗φ26+0.016 +0.007。切削参数与半精镗一致，只需要将半精镗刀换成精镗刀即可。

4 结束语

通过以上的加工方法对11件壳体零件内孔φ26+0.016 +0.007进行加工，加工后通过三坐标检测，各项参数均满足图纸要求，解决了加工中的难点，为后续加工生产打下坚实的基础。

參考文献：

[1]《机械设计师手册》，《机械设计师手册》编写组，机械工业出版社。

[2]《机械加工工艺手册》孟少农 主编，1998年3月出版，机械工业出版社。

[3]《夹具工程师手册》 刘文剑，曹天河，赵维缓编，1987年，黑龙江科学技术出版社。

[4]《高强度钢高温合金和钛合金的切削加工》，郭东仁译著，机械工业出版社。