引言

細長桿零件通常是指長度與直徑之比大于或等于25 的零件[1] 。車削細長桿零件一直是一個難題，再加上如 果是TC11這種難加工材料，更加劇了問題的嚴重性。 但TC11(Ti-6Al-3.5Mo-1.8Zr)屬于一種馬氏體強化 型α+β型兩相鈦合金。可以在400~500℃下長期使用， 具有非常強的工藝塑性、組織穩定、抗蠕變能力和抗高 溫變形能力，抗拉強度可以達到1030MPa，多為航空航 天零件材料的良好選擇[2-4] 。與普通零件相比，TC11鈦合金細長桿切削性能差，主要表現為鈦合金材料切削變 形系數小，切削中刀具和材料局部之間會產生高溫、高 壓、冷作硬化嚴重、切削力大，這些情況加劇烈了刀具 磨損，再加上細長桿剛度較差、受熱變形較大嚴重影響 了加工精度和表面質量[5-6] 。 喻紅中[7] 在折析細長桿件車削加工方法中，充分分 析了零件的結構、工藝特點以及零件產生的缺陷原因， 采用合理的工藝路徑，探索出細長軸的加工方法。宋宏 明[8] 在細長桿的車削加工技術淺析中，歸納了車削常見 缺陷及其原因，并在切削加工方面提出了改進措施。梁 滿營等[9] 在細長軸切削加工工藝方案研究中，一邊用三 爪卡盤，一邊用彈性頂尖的裝夾方式，直線插補和圓弧 插補相結合的加工方法來加工細長軸。以上的研究方法 都適用加工比較容易切削的材料和小型零件，但實際生 產中，往往會碰到大型、甚至中間有孔的難加工材料零 件，比如鉆桿之類的就不太適應了。 針對以上問題，本文對TC11鈦合金細長桿零件在實際生產中，對加工工藝、裝夾方式、受力情況以及刀 具選擇等方面，作出了合理的分析，并通過試驗驗證得 出，該種工工藝可以達到預期的加工效果。

1、細長桿在加工過程中工藝性分析

細長桿在車削過程中的熱擴散性能比較差，在車削 過程中，會在切削熱的作用下刀具發生黏結磨損，從而 影響工件的表面粗糙度和加工精度[10] 。并且鈦合金TC11材料由兩相組織組成，在切削過程中由于硬度比較大， 因此在加工中需要比較大的切削力。 以圖1所示的零件為例，只對細長桿外圓車削部分 進行進行工藝性分析，內外螺紋以及鍵槽部分不做分析處理。

1.1加工難點

1.1.1加工的尺寸公差要求

TC11材料的化學成分如表1所示。TC11具有難加 工性。同軸度要求為0.03mm，外徑為?1780 -0.4mm和 ?143+0.5 0mm，長度為550+2 0mm、11500 -2mm、760+2 0mm、 6110+10 0mm，粗糙度為Ra3.2μm，與18°的錐度，R38mm 的圓角。

1.1.2細長桿加工特性

細長桿廣泛應用于生活中，主要起到傳遞扭矩、輸 出動力源和承擔載荷的作用。但細長桿在加工過程中受 到切削力和切削熱的作用，容易造成桿的彎曲，出現直 線度、同軸度、徑向圓跳動和尺寸精度等不合格的現象， 廢品率很高。

1.2加工過程工藝路線的分析

TC11鈦合金細長桿車削的目的：從實現基準轉換的 角度，來保證零件的同軸度與尺寸。因此可以通過打表 的方式，將孔的軸線放置與車床導軌平行。再用超聲波測 厚儀測量出壁厚，利用粗車將原來孔的軸線基準轉化到圓 柱的表面上，用半精車修正外圓。最后在經過精車與拋 光的方式，達到尺寸和粗糙度的要求。外圓加工過程中， 將背吃刀量按照幾乎均勻等分的方式進行粗車與精車加 工，來保證最后的加工精度以及削弱刀具的磨損。加工 R38mm的倒角與18°的錐角時，利用四方刀架旋轉成固 定的18°并且采用特制的R38mm的外圓車刀進行加工。

1.3裝夾方式的選擇

（1）雙頂尖法裝夾法。采用雙頂尖裝夾，工件定位 準確，同軸度容易得到保證。但是細長桿的剛度差，兩端 都用頂尖，細長桿容易在刀具切削力的作用下產生彎曲。 （2）一端夾緊另外一端頂尖的裝夾法。如果頂的太 緊，孔的內部容易在端口變形，并且還會導致細長桿往 外彎曲的可能，并且三爪卡盤和頂尖的同軸度也不能保 證。細長桿在受熱以后，會產生膨脹，從而加劇了細長 桿的彎曲，而這種裝夾方式可以改善，即三爪卡盤夾緊 端采用開口的鋼絲圈減小夾緊的接觸長度，頂端采用彈 性頂端來緩解彎曲變形。

（3）三爪卡盤和中心架。采用一端加緊，一端用中 心架支撐，支撐架合理的擺放位置，能夠極大的減小切 削過程中的振動，減小了徑向切削力。 由于6m長的細長桿和車床的長度大致一樣長，有 一端無法采用頂尖。這里的裝夾方式采用的為一端三爪 卡盤夾緊，中間用兩個中心架支撐。為了方便裝夾，這 個零件自帶100mm的工藝夾頭，待零件加工完成之后可 進行切除，裝夾方式如圖2所示。對圖中裝夾方式中的 零件進行受力分析，由于中心架是限制零件的軸向移動， 并且底盤與軌道進行固定，可視為固定鉸支座，得到了 零件XZ和YZ兩個平面方向的受力分析圖，如圖3~4所示。其中MA為主軸箱傳來的扭矩，q為均布載荷重力， A點為三爪卡盤，B、C兩個點為中心架輔助，D點為裝 夾的自由端，FP為刀具的徑向分力。

1.4刀具選擇

為了減小細長桿切削中產生的彎曲變形，就要求在 車削過程中產生的切削力越小越好，為了減小刀具損壞， 使刀具和鈦合金材料不發生親和，刀具材料選為不含鈦 元素的硬質合金。而在刀具的選擇中，刀具的角度會直 接影響細長桿的質量和斷屑的難易程度[11] 。

（1）前角（γ0）。前角的大小影響切削力、切削產生 的振動以及零件表面的加工質量。使用較大的前角會降 低切削力，減小加工過程中的振動，提高零件表面質量， 但是過大的前角會讓刀頭和刀尖的強度降低，容易破壞 刀具。其次，TC11鈦合金屬于難加工材料，難以斷屑， 因此車刀的前刀面應有斷屑槽，附加負倒棱。

（2）主偏角（Kr ）。主偏角是主要影響刀具徑向力的 因素，較大的主偏角會降低刀具的徑向力，減小細長桿 的變形，不容易振動。并且小的刀尖圓弧半徑也會減小 徑向分力。 （3）刃傾角（λs ）。刃傾角影響鐵屑的流向，正的刃 傾角，鐵屑流向待加工表面；負的刃傾角，鐵屑會流向 已加工表面。車削細長桿，應取正的刃傾角，并且較大 的刃傾角，會增加實際的工作前角。

（4）后角越大，刀具越鋒利，可降低工件與刀具的 摩擦，提高工件表面的粗糙度，但是較大的后角同樣會 使得刀具的強度降低，后角的大小一般為α0=α01=4° ~60°。鈦合金屬于強度較高的材料，應選擇較小的后角。

本次試驗采用機夾刀具，采用機夾式結構如圖6所 示，方便更換磨損的刀片。為了加工出R38mm的圓角， 采用了特制的一體化刀具如圖7所示。加工鈦合金材料刀片材料為YG8[12] ，刀片型號為CCMT120404-SF刀 尖角為80°，后角為7°，R=0.4mm的刀尖半徑，HQ型斷屑槽。

1.5合理的切削用量選用

切削用量是切削運動過程中的切削參數選擇，其中包括切削速度、進給量、背吃刀量。切削量選取的原則 為：在能保證的尺寸精度的情況下，盡可能提高生產效 率和降低成本。

（1）背吃刀量（ap ）。在刀具和機床確定前提下，切 削深度增加，車削過程中的切削力會增大，并且過多的切削深度會產生大量的熱，容易引起切削變形。因而， 在圖1的零件加工過程中盡可能減少背吃刀量，將粗加 工時進刀的背吃刀量設為3mm、半精加工時為2mm、 精加工時設為0.5mm。

（2）進給量（f）。切屑厚度與進給量成正比，過大 的進給量會增加切屑的厚度，增加切削力。精加工階段， 進給量主要與表面的粗糙度有關。粗車用大的進給量 0.15~0.20mm/r，精車用小的進給量0.08~0.10mm/r。

（3）切削速度（υ）。普通車床的切削速度不會很 大，不容易產生積屑瘤，對刀具的磨損度有利。對于細長桿來說，過高的切削速度，會增加離心力，加劇切削 的振動。因此，車削中應該選擇較低的切削速度 60~150r/min。

1.6切削液的選擇

切削液在車削過程中起到潤滑、防繡、降低刀具后刀面與工件的摩擦、減少切削熱的產生。故這里選用的 切削液為COOlancutO-11加水稀釋而成，COOlancutO- 11的典型數據如表2所示。

2、試驗驗證

最后確定該零件的加工工藝方案為：粗車-半精車精車-拋光。整個切削過程都采用切削液，帶走切削熱和潤滑已加工表面。粗車的切削參數為v=60r/min，f= 0.1mm/r，ap=3mm；半精車v=80r/min，f=0.2mm/r，ap= 2mm；半精車v=80r/min，f=0.2mm/r，ap=0.5mm。 圖7所示為粗車加工，圖8所示為粗車切屑，圖9所 示為半精加工。

圖10所示為精車完成，圖11所示為拋光效果，圖 12所示為加工完成。

將最終加工出來的零件通過測量，檢驗產品是否合 格。同軸度采用的量具為內徑百分表，粗糙度采用對比 的方法，長度方向的尺寸用游標卡尺，外徑用外徑千分 尺以及角度尺。測量報告如圖13所示。通過上述檢測報 告以及實際加工情況可以看出，該細長桿加工工藝方案

可行。

3、結束語

本文在TC11鈦合金細長桿加工過程中，采用一端用三爪卡盤夾緊，另外一端用兩個中心架固定的裝夾方 式。這種裝夾方式，普遍適用于大型零件的加工，減小 了細長桿零件加工過程中的變形，保證了零件的同軸度， 實現了軸的基準向圓柱外表面轉化的目的。

整個試驗中，通過選取COOlancutO-11型號的切 削液、YG8材料的刀片，解決了TC11這類難加工材料 的切削性能差的問題。機夾式結構車刀，刀片更換方便， 避免了細長桿在長時間加工過程中需要反復修磨刀刃， 很大程度上提高了加工效率；特制的R38mm車刀，解 決了普通車床中加工圓角難題。采用合理的加工工藝與 粗精車切削用量，能夠使零件的外形尺寸精度和表面粗 糙度達到要求。

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第一作者簡介：祝升亮 （1995-），男，陜西商洛人，碩士研究生，研究領域為深孔加工技術。

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