目前航天產品加工精度要求不斷提高，航天領域中整體結構件不斷增加，高精度、薄壁腔體類零件在航天產品行業的應用越來越廣泛。特別是伺服系統中零部件的加工精度控制的好壞，直接關系到武器系統中的多項性能指標要求，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85%以上。同時，該類零件的一個顯著生產特點是品種多、批量小，甚至是單件生產，這種結構特點和生產模式決定了其制造技術一直處于不穩定狀態，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。
 

　　隨著武器系統的更新換代以及性能的不斷提升，當前彈上伺服系統產品零件更趨向于小體積、高精度發展，對加工工藝技術提出更高要求。同時為了追求小體積、高精度的結構，有時也無法兼顧產品的加工工藝性。因此，在伺服產品中出現了一種高精度（尺寸精度要求在0.01 mm以上）的內腔圓柱面結構零件，該結構機械加工工藝性差，運用傳統的鑄造、機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 ） 零件結構及工藝性分析。
 

　　某球環框架（見圖1）材料為鈦合金TC4-M，屬于單件小批量生產，零件為精密機械加工件，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，同時零件結構的工藝性也較差，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量保證的關鍵所在。
 

　　（2）加工工藝方案的制定。
 

　　通過對球環框架零件結構進行分析，制定如下工藝流程：坯料→粗加工（采用線切去除余量后再進行機械加工）→熱處理時效→精加工→交驗，加工難點為內腔圓柱面φ 22－0.002－0.010 mm的加工以及形位公差的保證，其結構以及材料加工工藝性差，標準的刀具無法對其進行機械加工。
 

　　通過對球環框架零件結構的分析，針對球環框架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：粗加工時通過正反兩面兩次裝夾采用三維切削加工出內腔圓柱面，單邊留1 mm余量，精加工時在五軸加工中心采用專用鏜刀加工φ 22－0.002－0.010 mm內腔圓柱面，專用鏜刀能進行高精度微調，從而保證了φ 22－0.002－0.010 mm圓柱面的尺寸精度，同時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. 專用鏜刀的設計
 

　　（1）零件材料特性分析。
 

　　球環框架零件材料為鈦合金TC4-M，其具體特性如下：①鈦合金的導熱性差，是不良導熱體金屬材料，切削加工時，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），切削時接近后刀面處工件的回彈量大，導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，鈦屑及被切表層與刀具材料咬合，產生嚴重的粘刀現象，容易引起刀具強烈的粘結磨損。鈦合金的高溫化學活性強，在600 ℃以上時，與氧、氮產生間隙固溶，吸收氣體后鈦合金表面的硬度明顯上升，對刀具有強烈的磨損作用。因此，要求加工鈦合金的刀具具有高強度、高韌性的同時，還要有高的紅硬性。
  

　　（2）專用鏜刀的設計原理。
  

　　通過對零件材料性能的分析，結合零件結構特點， 設計了專用于φ 22－0.002－0.010 mm圓柱面加工的鏜刀，鏜刀結構如圖2所示，它包括標準可調鏜頭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，緊固螺釘將刀片緊固在刀桿上，將標準可調鏜頭與機床主軸連接。被加工零件緊固在數控加工中心輔具上，使加工部位與主軸垂直，通過以上所述鏜刀對零件內腔圓柱面進行鏜削加工，加工過程中可以根據實際測量尺寸，通過調節標準可調鏜頭對刀片進行微調，從而保證零件加工精度。標準可調鏜頭調節范圍在0.06 mm以內，直徑微調精度在0.002 mm以上，其加工時的狀態如圖3所示。
 

　　（3）鏜刀刀桿的設計原理。
 

　　根據球環框架零件材料特性，刀桿應具有較高的強度以及良好的韌性，因此，刀桿材料選用合金工具鋼CrWMn調質料（32～35 HRC），受球環框架零件內孔尺寸限制，刀桿直徑應小于19 mm，同時結合標準可調鏜頭接口進行配作，配合間隙控制在0.01 mm以內。
 

　　（4）鏜刀刀片的設計原理。
 

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

　　切削鈦合金時，刀具后角α 0是所有刀具參數中最敏感的，因為切削層下的金屬彈性恢復大和加工硬度大，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°）會出現金屬的粘附現象；而后角過大，刀具將被削弱，刀刃容易崩碎。因此，大多數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（主要發生在刀具前刀面上），因此應采用小值前角；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，又加強刃口，避免因切削力集中而產生崩刃。因此，用硬質合金刀具加工鈦合金時，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. 結語
 

　　鈦合金零件加工在機械制造業中占有很重要地位，鈦合金材料的切削加工一直是當前加工工藝技術的難點。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步。在基于國內的材料、機床和管理等條件基礎上，進一步加強鈦合金材料加工工藝路線的優化、加工參數的優選，提高加工效率和產品質量，是推動國內鈦合金產業和航空航天工業發展的重要因素。文中設計的內腔圓柱面精加工鏜刀，結構簡單，制造使用都很方便，解決了球環框架零件加工工藝難題。