薄壁钛合金法兰盘插齿技术研究

某机型钛合金法兰盘属于薄壁易变形零件，内花键精度高，给插齿加工带来了一系列问题：

（1）钛合金切变系数小于或接近于1，切削时，刀具易磨损；钛合金切削时温度高，比45钢高出一倍，散热性差，刀具易烧损；单位面积上的切削力大，容易崩刃；切削时，钛屑及被切表层易与刀具材料咬合，产生严重的粘刀现象，引起剧烈的黏结磨损，以上情况严重影响插齿加工精度。

（2）内花键加工后需对花键进行喷丸，进一步影响花键跳动。

1 研究内容

（1）解决零件材料切削困难，刀具易磨损以及粘刀问题。

（2）解决零件因壁薄，加工过程中产生变形的问题。

（3）保证插齿工序加工的零件，内花键跳动在0.025以内，喷丸后，花键跳动在0.03以内。

2 技术方案

（1）选用切削性能及散热性能良好的合金钢作为插齿刀具材料，并增加涂层要求保证切削及耐磨性，严格要求其齿形、齿向、累积、跳动误差。

（2）分析零件受力，根据零件受力情况，改善夹具，增加加工刚性。

（3）摸索插齿参数，调整零件进给速度、径向进给。

3 实施过程

3.1 刀具优化

钛合金材料韧性大，导致切削时切削力大，且加工时散热情况不好，大部分热量留在刀具上，对刀具磨损大。所以，本方案必备条件是一把适合钛合金零件插齿的刀具，刀具设计为带涂层的硬质合金刀具，齿形误差不大于0.004，跳动误差不大于0.008，周节累积误差不大于0.015。

3.2 夹具优化

根据技术方案的分析，夹具的设计需存在相反方向的力F1'、F2'来限制零件的加工变形（图1）。

在A处增加内端面的辅助支撑，在B处增加定位支撑（见图2），通过夹具间接加厚零件，增大零件刚性，通过施加一个反向的力F2’，减小F2对薄壁零件产生的变形影响，从而达到提高内花键精度的目的。通过工艺试验，发现夹具压板与零件外圆配合间隙需保持在0.015～0.025较为合适，且夹具材料需采用硬铝，一方面减轻压板重量，另一方面可以保护零件外观，防止压伤零件表面。

图1 夹具改进原理分析

图2 夹具压板

3.3 切削参数优化

（1）插齿余量分配优化。普通零件加工，切削余量大约在2mm左右，插齿加工分为三个阶段，余量分配见表1所示：

该法兰盘插齿余量为1.4m，由于该零件结构、材料的特殊性，余量分配不能按照普通钢制件零件进行，第三刀精刀无论余量剩多少，齿圈跳动都难以保证要求。因此，零件加工时需增加第四刀，在第四刀加工时，通过第四刀的切削加工修复齿圈跳动，通过工艺试验可以确定第4刀余量为0.02mm时，改善效果最明显。

（2）切削速度优化。常规插齿速度设置是越来越快，切削速度从50m/min增加到110m/min，通过加快切削速度，来改善切削效果，减小刀具与零件的挤压时间来提升齿圈跳动。但该方法存在缺陷，加快速度导致机床稳定性变差，刀具与零件在精加工时产生的磨削热增加，零件所受冲力增大，变形情况超出加工控制要求。因此，在各个阶段采用匀速加工比较适宜，切削速度通畅可选用70m/min。

（3）圆周进给量优化。粗加工时，为保证切削效率，进给量较大，精加工时为保证齿圈跳动，进给量不宜过快。因此，加工时采用以下两种方案进行对比试验，一个为圆周进给量不变，一个为圆周进给量逐渐减小。

表1 普通插齿余量分配

根据对比试验结果可以看出，方案1加工情况优于方案2，验证了零件精加工时，进给量不能过大，均匀地降低进给量有助于修复零件的椭圆，保证齿圈跳动的原理。

表2 圆周进给量试验方案

4 结语

运用前述技术方案和方法，通过连续批次加工，内花键尺寸、技术要求都达到了设计要求，达到了预期目的。本文通过探索、研究，确立了薄壁钛合金内花键插齿的工艺方法、控制手段，具有极佳的应用推广价值。该项研究属于国内首创，填补了高精度钛合金内花键插齿技术的空白，处于国内领先水平。