近年來，隨著科學技術不斷發展和進步，鈦及鈦合金棒絲材在航天航空?軍工?醫療等重要領域得到廣泛應用，產品要求各項性能指標滿足標準相關要求的同時，大單重盤卷絲材作為在高端領域的應用，除在傳統的力學性能方面有較高要求外，在盤卷單重?尺寸公差?表面質量等方面要求均遠超常規的絲材產品?

現有鈦合金盤卷絲材機加設備在大單重 (>150kg) 機加尺寸控制及表面質量方面，均無法滿足高端領域鈦合金絲材的工藝要求?該類設備機加鈦及鈦合金盤卷絲材后，表面粗糙度無法滿足工藝要求；主機高轉速下穩定性不足，機加效率低下；鈦屑斷屑?排屑效果不佳，易產生積屑瘤?

1、改進思路

本項目設計一種鈦及鈦合金盤卷絲材高精度機加裝備改進及機加尺寸控制的方法?提高機加設備關鍵部件的裝配精度，實現從絲材線坯到成品盤卷的連續性高精度機加，大幅提高產品表面機加質量，優化生產流程及人力資源配置?

2、優化方案

本課題主要包括鈦合金盤卷絲材高精度機加裝備改進?機加尺寸控制，以及對操作中設備機加參數和對刀調整的相關研究?

2.1 裝備優化部分

(1) 較傳統絲材機加類設備，本項目改進設備在保證主機機加腔體具備足夠排屑空間的前提下，盡可能縮短前導與中導夾持裝置之間距離，提高機加時絲材導向穩定性?

①前導采用三抓卡盤雙滾輪結構，保證排屑順暢情況下，盡量縮短前導距機加作業工位的距離，每個卡爪都設有可微調裝置，方便調整整機機加中心線，保證坯料剝削同心度，防止偏剝情況；

②同時縮短中導夾持裝置距離機加作業工位的距離，中?后導向夾持裝置采用六組導輪結構進一步精確定位，以保證坯料加工尺寸的精確?

(2) 提高機加設備主機空心主軸軸承裝配精度，實現鈦及鈦合金盤卷絲材機加刀盤高轉速需求?

①軸承選用中高轉速角接觸精密配對軸承，采用熱裝工藝，彈性預緊消除間隙，保證其在冷態和熱態時松緊度一致，裝配后主軸端部跳動量要求≤0.01mm;

②主機采用加強型機架，滿足最大轉速可以達到 3000r/min, 車刀線速度可達到 50m/min?

(3) 提高刀盤機加排屑效果，實現鈦及鈦合金盤卷絲材機加尺寸控制?刀盤護罩上端設置三組高壓切削液水嘴噴頭，噴頭對準機加工位，高壓切削液幫助斷屑及冷卻效果，防止鈦屑堆積形成積屑瘤，提升刀具使用壽命?

2.2 尺寸控制部分

鈦及鈦合金盤卷絲材機加車刀的選型需根據機加材料?尺寸精度控制等有所不同，由于機加車床刀盤設計類似，即影響機加質量的因素主要為：刀桿制作精度?墊片調整厚度及車刀選型?

(1) 高精度盤卷絲材機加要求機加后表面粗糙度 Ra≤3.2μm?根據現有機加設備，車刀安裝存在 5° 的傾角，為保證車刀安裝后各組車刀機加面為同一加工中心線，需對機加車刀及墊片的整體厚度進行測量；

(2) 鈦及鈦合金盤卷絲材機加車刀的選型采用硬質合金車刀，根據多批次生產物料驗證，帶倒棱車刀普遍適用于硬度較高坯料機加，可減少鈦合金絲材表面機加刀紋；不帶倒棱車刀更適用于硬度較低的 β 類坯料?同時，制作專用對刀工裝，可對四組機加刀桿及車刀安裝尺寸進行校對，要求加工面長度及高度誤差控制在 0.03mm 以內，以確保機加效果；

(3) 選擇最優的鈦及鈦合金盤卷絲材機加線速度，刀盤轉速?機加線速度對排屑及機加絲材表面質量具有重要的影響?

增加機加尺寸在線連續監測系統，實現絲材機加尺寸測徑反饋，刀盤自動進刀?退刀，保證絲材機加尺寸精度，并通過目視化管理，操作人員可輕松掌握機加整體情況?

2.3 機加調整部分

由于現在使用的絲材機加車床基本均為無心車床類型設備，主軸刀盤設計基本一致，即影響機加工作面的因素：刀桿厚度?墊片厚度?車刀厚度?

機加工作面選擇：機加棒絲材的中心線位置為最佳?

設計顯示：無心車床刀盤裝刀位置距機加中心線尺寸為 27.27mm;

由于車刀安裝存在 5° 的傾角，為保證車刀安裝后 (刀桿 + 墊片 + 車刀厚) 機加面尺寸為 27.27mm, 理論計算：刀桿厚度一致情況下，墊片厚度為 1.25mm 時，車刀的厚度應采用 6.48mm?

例如現使用車刀厚度為 6.4mm, 較理論車刀厚度偏小 0.08mm, 即機加面片棒絲材中心線較下位置?可以通過調整墊片厚度，彌補機加工作面偏低情況?

2.4 對刀調整部分

2.4.1 坯料矯直

坯料進入平立矯時，需緩慢進入進料壓輪后加緊，通過平立矯直輪過程中進行手動壓緊；緩慢退出至進料壓輪，手動調整各矯直輪進量，然后進行調刀?

2.4.2 對刀操作流程

(1) 對刀過程中，需多次進刀，用于消除刀具安裝間隙誤差；

(2) 對刀時，機加料頭長度不易過長，以 10cm 為宜；并觀察機加料頭是否偏剝，如存在，需調整前導三爪夾持；

(3) 機加過程中不得隨意倒車，由于機加過程為微張力，倒車會造成絲材彎曲，從而損傷車刀及刀桿；如需倒車，需先打開抽出壓輪，防止坯料折彎，損傷刀體；

(4) 機加過程中，操作工需重點注意機加屑子情況，觀察是否存在折疊屑子存在，如果存在，說明刀桿間屑子堆積，此類情況下可適當提高主軸轉速?

2.4.3 三爪同心度調整

為防止高精度無心車床機組前導三爪卡盤偏心，保證夾持及機加中心線位置，提高機加絲材表面質量，減少應為偏心問題造成車刀破損等浪費情況，提出如下相關措施 (見表 1)?

表 1 定期檢查及周期

(1) 前導同心度調整方法

①前導壓輪或滑塊檢查：每班開機前，檢查壓輪是否存在卡阻，手動旋轉壓輪，檢查是否靈活；觀察滑塊是否存在損傷，如存在如上問題，需處理后方可開機；

②前導壓爪部件檢查：每班開機前，人工檢查壓爪部件是否松動，固定螺栓牢靠，并通過扳手檢查松緊度，如已松動，需重新調整對中性后方可開機；

③前導三爪同心度檢查：定期對三爪同心度進行檢查，拆除刀盤刀體，通過中后導夾持樣棒，調整前導三爪同步進退，并通過塞尺檢查壓輪或滑塊與樣棒間隙是否一致?

(2) 中后導同心度調整方法

準備工具：百分表?磁力底座?樣棒?后導出口處工裝樣棒套?

①拆除前導前端擋板，松開前導三爪；

②松開液壓夾持，并穿過樣棒；

③松開后導連桿鎖緊螺母；

④使用樣棒套在后端固定樣棒；

⑤液壓夾持中導，用百分表固定到刀盤上，手動旋轉一圈，檢查樣棒尺寸波動；

⑥如果存在波動較大，需對中導三處連桿進行調整，直至波動值在 0.05mm 左右；

⑦后導調整時需通過樣棒套來回滑動，通過樣棒套內外尺寸配合調整連桿；

⑧調整完畢后夾持中后導，旋轉刀盤一圈，檢查百分表波動，小于等于 0.05mm 最佳；

⑨調整樣棒要求懸掛存放，并定期對樣棒表面進行潤滑保養，防止生銹?

2.4.4 常見故障現象及原因分析

(1) 故障現象：中后導夾持不穩定

原因分析:①中后導導輪磨損；②中后導連桿絲扣滑絲；③液壓鎖緊裝置連桿導套孔粗糙或銹蝕，阻力過大?

(2) 故障現象：機加刀紋過深

原因分析:①墊片厚度尺寸不合適；②車刀厚度偏差較大；③刀桿磨損嚴重；④刀桿安裝不到位，壓刀條未壓緊?

(3) 故障現象：絲材表面劃傷及壓坑

原因分析:①主機出口未設置清掃裝置，鈦屑隨坯料帶出后，壓入抽出輪對絲材表面造成壓坑；②抽出輪液壓壓力過大，壓輪壓傷絲材表面；③砂帶拋腔體導管孔徑較大，絲材拋光波動大；④拋光后的粉塵未進行有效收集，積攢到砂帶抽出尼龍輪，與成品絲材表面劃傷；⑤折彎機尼龍壓輪嵌入鈦屑，對絲材表面劃傷；⑥折彎機出口導向裝置劃傷絲材?收線架尼龍板損壞劃傷絲材?

3、優化前后情況對比

優化后的鈦及鈦合金絲材機加設備較之前同類型鈦合金盤卷絲材機加設備機加性能明顯提升，產品產生滿足相關工藝要求?

優化前：鈦合金盤卷絲材機加表面粗糙度 Ra≤3.2μm; 車刀使用壽命 1 盤 / 片；機加效率 6m/min?

優化后：鈦合金盤卷絲材機加表面粗糙度 Ra≤1.0μm; 車刀使用壽命 3 盤 / 片，機加效率 9m/min?

大單重盤卷絲材機加效率提升 50%, 機加表面粗糙度明顯提升，備件消耗量降低 200%?

統計 12613 支盤卷單重，其中 9887 支單重滿足 140±25kg 的要求，占比 78.39%;1890 支盤卷單重 > 165kg, 占比 14.98%;836 支盤卷單重 78~115kg, 占比 6.63%?大單重盤卷物料機加對刀具磨損程度要求較高，同時又要確保盤卷絲材機加尺寸前后一致性，通過對裝備優化和尺寸控制兩方面的研究，盤卷成品尺寸基本滿足橢圓度≤0.02mm 要求?

4、絲材高精度機加尺寸控制的市場應用

隨著高端制造業向精細化?微型化發展，絲材機加的尺寸精度控制將成為關鍵競爭力，尤其在醫療?半導體和新能源領域的應用潛力巨大?在多個高端制造領域具有重要應用，其高精度要求能夠滿足復雜?微型化及高性能零部件的需求?其主要市場應用領域及具體場景包括?

4.1 航空航天與國防

應用場景：緊固件絲材?渦輪葉片冷卻孔?航空傳感器部件?導彈導絲等?

精度要求:±0.02mm 以內，確保耐高溫?抗疲勞性能?

市場驅動：輕量化材料 (如鈦合金?鎳基合金) 和復雜結構需求?

4.2 消費電子產品

應用場景：手機外殼?內部結構件等?

精度要求：通常需控制在 ±0.03mm, 抗摔?抗刮?抗壓性能?

市場驅動：主要體現在高端智能手機和穿戴設備中?

4.3 醫療器械與植入物

應用場景：心臟支架?骨科植入物 (如脊柱螺釘)?手術器械?牙科種植體等?

精度要求：通常需控制在 ±0.01mm 以內，確保生物相容性和功能性?

市場驅動：微創手術普及和個性化醫療需求增長，推動高精度絲材加工需求?

4.4 精密儀器與光學

應用場景：光纖連接器?激光切割頭噴嘴?精密彈簧?

精度要求：表面粗糙度 Ra<0.4μm, 尺寸公差 ±0.01mm?

市場驅動：高端光學設備和精密機械的迭代升級?

4.5 汽車工業

應用場景：燃油噴射噴嘴?傳感器探針?電動汽車電池極耳?

精度要求:±0.02mm, 直接影響燃油效率或電池性能?

市場驅動：新能源汽車對輕量化?高續航零部件的需求?

4.6 能源與環保

應用場景：燃料電池金屬雙極板?核反應堆微型冷卻管?

精度要求：微米級加工以避免流體泄漏或能量損失?

市場驅動：清潔能源技術 (如氫能) 的快速發展?

4.7 增材制造 (3D 打印) 配套

應用場景：金屬 3D 打印的支撐結構?精密絲材原料 (如鈦絲)?

精度要求：絲材直徑一致性 ±0.01mm, 確保打印層均勻性?

市場驅動：工業級 3D 打印向高精度?高強度方向發展?

5、結語

在現代制造業中，絲材機加尺寸精度控制的重要性愈發凸顯，已成為眾多行業提升產品質量與生產效率的關鍵因素?通過本研究，我們深入剖析了絲材機加尺寸精度控制的原理?方法以及影響因素，并對相關技術進行了系統性探究?

研究結果表明，優化裝備結構?采用先進的測徑反饋系統和高精度的測量?調整裝置，能夠有效提升絲材機加尺寸精度?在實際生產中，合理選擇切削參數?刀具材料以及加工工藝，對確保尺寸精度的穩定性也起著重要作用?絲材機加尺寸精度控制技術在航空航天?汽車制造?電子信息等領域展現出了廣闊的應用前景?

然而，目前絲材機加尺寸精度控制技術仍面臨一些挑戰?隨著產品精度要求的不斷提高，對加工設備和工藝的精度要求也日益嚴苛；復雜形狀絲材的加工精度控制難度較大，需要進一步研發先進的加工技術和算法?未來，我們需持續關注絲材機加尺寸精度控制技術的發展動態，加強基礎研究與應用研究，不斷探索新的加工方法和工藝，以應對日益增長的高精度加工需求?同時，加強產學研合作，促進技術創新與成果轉化，推動絲材機加尺寸精度控制技術在更多領域的廣泛應用，為制造業的高質量發展提供有力支撐?

參考文獻

[1] 沈興東，張鑫。鈦合金可切削性的研究及加工刀具設計 [J]. 工具技術.2023,(12).DOI:10.3969/j.issn.1000-7008.2003.12.008.

[2] 毛文革。鈦合金的切削加工 [J]. 航空制造技術.2001,(1).64-66.

[3] 周知進等。鈦合金切削加工研究現狀及發展趨勢 [J]. 工具技術.2022,56 (10).DOI:10.3969/j.issn.1000-7008.2022.10.001.

[4] 王兵，劉戰強等。鈦合金高質高切削加工刀具技術 [J]. 金屬加工 (冷加工).2022,(3).DOI:10.3969/j.issn.1674-1641.2022.03.001.

（注，原文標題：鈦及鈦合金大單重盤卷絲材機加尺寸精度控制的研究）

相關鏈接