钛合金是一种重要的结构材料，广泛应用于航空航天等领域。但钛合金密度较大、导热性差，切削加工中切削力较大并产生高温，加工后表面会产生变形。因此，加工钛合金异形零件时需要采取合理的工艺措施。
1、零件加工及材料分析
1.1材料特性分析
该零件采用TC4钛合金，是新型钛合金材料，由α相和β相组成，α相晶粒尺寸约5~10μm，β相晶粒尺寸约30~50μm，具有比强度高、耐腐蚀、耐高温，切削加工性能良好等特点。由于TC4钛合金密度较大（约为2.23g/cm³），导热性差，所以要控制切削温度和加工变形。
1.2加工难点分析
钛合金强度高，抗弯强度高，切削温度高，导致零件稳定性差，易变形断裂，刀具易磨损，零件尺寸精度难以保证。加工钛合金会产生大量切削热，引起很大热应力，会加剧刀具磨损、工件开裂，增大切削力。热膨胀系数大、弹性模量低而易产生加工变形；零件不对称且结构复杂，装夹刚性不足，也会造成变形。因此，为保证产品质量，减少刀具磨损，提高生产效率，降低加工成本，需要选择合适的刀具和切削量。
该零件形状复杂，加工切削力大、温度高。其硬度58—63HRC，若直接用硬质合金刀具加工，加工硬化严重，导致切削力增大、切削温度升高；热处理后，材料硬度提高至61—63HRC左右，主要化学成分由α相转变为β相，材料具有更高强度、塑性和韧性，能有效降低切削力和温度。因此，TC4钛合金热处理后再加工较为合理。TC4钛合金是典型难加工材料，用硬质合金刀具切削易粘刀。并且该零件为精密件，对刀具要求更高。
2、毛坯加工工艺及刀具选择
2.1毛坯加工方案
针对零件结构复杂，易产生加工变形，以及切削温度高、切削力大、切削抗力强等特点，宜采用整体加工。确定先铣削加工毛坯，然后与夹具铆接后再车铣加工。
2.2毛坯加工刀具参数设计
毛坯采取立铣加工。铣刀刀齿要有足够强度、刚性和耐磨性；刀齿与工件接触部位应润滑良好；切削速度不能太低，保证足够切削深度，切削量合理，尽可能缩短切屑与刀具接触时间。最终决定采用后角10°~12°、每齿进给量0.20mm/r、切深0.015mm的6齿立铣刀加工。根据零件加工特点及精度要求，设计两种刀具：刀片直径Ø1.2mm、Ø1.5mm，刀体尺寸Ø200mm×1000mm，刃长250mm。
3、零件加工工艺设计
3.1粗加工
针对钛合金零件粗加工变形问题，采用粗车余量设定为0.1~0.2mm，精车余量设定为0.3~0.5mm的加工方案。先将外表面粗车余量控制在0.2~0.3mm，粗糙度控制在Ra0.4以内。然后用3种不同直径的CNC数控车床粗车，加工后外表面粗糙度控制在Ra0.8以内，再用3种不同直径的数控铣床精加工。粗加工时，先加工外圆轮廓，用车刀刀尖修平，保证刀具与工件中心线一致。粗车时要夹紧力均匀，避免已加工表面产生过大变形。精车时根据零件尺寸选择进给速度和加工时间，控制主轴转速。钛合金导热系数低，粗车可采用较大进给量，精车减少进给量和加工时间。精车后将零件表面粗糙度控制在Ra0.1以内，打磨后粗糙度在Ra0.2以内。
3.2精加工
精加工将钛合金零件加工到尺寸精度、表面粗糙度及表面残余应力。由于钛合金热膨胀系数大，精加工时应选择较小切削速度和进给量，避免过度切削导致工件表面开裂或烧伤；精加工后及时清洗和检查零件，避免变形。钛合金异形零件主要缺陷有：精车易刮伤、易产生积屑瘤、表面硬化严重。
3.3工装设计
因结构复杂，钛合金异形件对加工工艺要求高，应尽量采用通用夹具。夹具应有足够刚性，保证夹紧时零件不变形；要有良好耐磨性，保证夹紧时不磨损；要有较好密封性，保证夹紧时不泄漏；要有通用性和互换性，便于其他机床加工。
4、切削量选择
4.1进给量
进给量取决于刀具几何角度和工件材料。钛合金导热系数小，切削热使刀具和工件温度升高，引起工件变形，影响加工精度和表面粗糙度。因此，实际生产中应减小进给量。此外，考虑到刀具材料、几何角度不合适或切削速度过高会导致刀具磨损和切削温度升高。因此，应选择较小进给量，同时控制好刀具几何角度和切削速度等参数。
4.2切深
为保证质量，钛合金异形件的切削深度应控制在0.1mm/r以下。钛合金导热性和绝热性好，所以为减少刀具磨损和切削力，降低切削温度，应采用较小切削深度。同时，要控制好工件表面粗糙度。工件材料硬度高或装夹不牢靠时，不能采用太小切削深度，加工余量控制在1~2mm内，可采用粗精加工结合提高效率。
4.3背吃刀量
保证加工质量前提下，背吃刀量不应小于1.5mm/r。过小背吃刀量会加剧刀具磨损，降低刀具使用寿命，过大背吃刀量会使刀具磨损不均匀，易崩刃，零件表面产生凹陷。本文用硬质合金刀具加工钛合金零件，应适当减小背吃刀量。
5、试验结果与讨论
通过以上分析，笔者确定钛合金异形件加工方案，先根据零件结构特征粗加工，再进行半精加工，最后精加工。粗加工采用较大切削量，精加工采用较小切削量。结果零件表面粗糙度小于Ra0.05，零件尺寸精度、表面粗糙度和形位精度均达技术要求。
6、结语
笔者针对钛合金异形零件加工难点，分析零件结构及材料特性，制定合理加工工艺。根据加工特点选择耐热性和耐磨性良好，适于钛合金异形零件加工的刀具，通过优化刀具、选择合适切削用量，减少工件表面变形，提高表面质量和尺寸精度，缩短制造周期。
参考文献
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（注：原文标题：钛合金异形零件加工工艺分析）
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