航空鈦合金零件深孔鉆削工藝

潘玉良，姜雪梅，姜　瑩

(沈陽黎明航空發(fā)動機(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，沈陽 110043)

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航空鈦合金零件深孔鉆削工藝

潘玉良，姜雪梅，姜瑩

(沈陽黎明航空發(fā)動機(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，沈陽 110043)

摘要：針對鈦合金深孔加工技術(shù)難題，采用槍鉆加工某航空鈦合金零件的深孔。在深入分析零件工藝特性的基礎(chǔ)上設(shè)計了合理的工藝方案，改進(jìn)了鉆削走刀工藝路線，并通過工藝試驗驗證了鉆削工藝參數(shù)。結(jié)果表明，在合理制定的工藝方案中，預(yù)鉆孔深度稍大于2倍孔直徑的長度可使槍鉆切削滯后于槍鉆加速，有效提高刀具壽命和加工質(zhì)量；通過優(yōu)選鉆削工藝參數(shù)可提升鈦合金深孔結(jié)構(gòu)的加工效率和精度。

關(guān)鍵詞：航空鈦合金；深孔；槍鉆；鉆削

鈦合金由于其比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點，在航空航天領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，但是鈦合金的機加性能差成為制約鈦合金應(yīng)用的技術(shù)瓶頸[1-6]。鈦合金切削加工特點包括：(1)刀具切屑單位接觸面積上的切削力大，使刃尖部位應(yīng)力集中，容易造成刀具磨損或破損；(2)黏刀現(xiàn)象嚴(yán)重，容易引起嚴(yán)重的黏結(jié)磨損；(3)由于刀具中的TiN和TiC等與被加工的鈦合金之間易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及熔覆現(xiàn)象，導(dǎo)致鈦合金與刀具之間有很強的親和力，以致造成刀具嚴(yán)重磨損[7-9]；(4)由于鈦合金具有較強的冷作硬化特性，如果進(jìn)給量過小，導(dǎo)致加工道次增加，加劇冷作硬化層對刀具的磨損。因此，鈦合金加工過程中應(yīng)使刀刃的粗糙度盡可能小，以保證排屑流暢并避免崩刃，并盡可能使用導(dǎo)熱性能良好的、強度高的細(xì)晶粒鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具，為提高刀具耐用度，應(yīng)采用較小的前角，后角應(yīng)比切普通鋼的后角大，刀尖采用圓弧過渡刃，刀刃上避免出現(xiàn)尖角[10]。以往的鈦合金小尺寸系列深孔加工通常采用接長麻花鉆[11]，不僅無法實現(xiàn)自動連續(xù)排屑，而且冷卻潤滑液難以供入。每鉆削大約1～2倍孔徑的深度就必須退刀排屑，不僅加工精度低、表面粗糙度差，加工效率低、勞動強度大、質(zhì)量難以保證，而且很容易引起“堵屑”或者折斷鉆頭，造成更大的加工困難甚至報廢工件。而槍鉆則是一種優(yōu)質(zhì)高效的深孔鉆削工具，具有排屑性能好、加工精度高、加工效率高以及鉆頭壽命長等優(yōu)點[12-13]。因此本文采用槍鉆加工某航空鈦合金零件的深孔，在深入分析該零件加工工藝難點的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計深孔加工工藝方案，選取不同鉆削參數(shù)進(jìn)行鉆削試驗，分析得出鈦合金深孔槍鉆加工最佳工藝參數(shù)。

1　某鈦合金零件深孔工藝性分析

某鈦合金零件設(shè)計有18個直徑為6 mm、深度為122 mm、公差等級為H9的孔結(jié)構(gòu)，孔的長徑比超過20。由于鈦合金具有比強度高、熱強性高、耐蝕性好、化學(xué)活性大、導(dǎo)熱性能差和彈性模量小等特點，在進(jìn)行深孔鉆削加工時極易出現(xiàn)燒刀、堵屑、刀具磨損快、工件加工硬化以及深孔的彎曲和偏斜等問題[14]，若采用常規(guī)鉆頭和外冷卻機床加工，鉆頭剛性差容易偏擺導(dǎo)致切削失效，同時冷卻液難以到達(dá)切削刃部位，切削時鉆頭壽命較短且極易斷裂，所以在方案設(shè)計時選用槍鉆和具有內(nèi)冷功能的數(shù)控機床進(jìn)行深孔加工是必要的工藝選擇。

2　鉆削試驗與方案

2.1試驗條件

(1)機床：試驗用機床為具有高壓內(nèi)冷功能的數(shù)控機床，控制系統(tǒng)為西門子840D，冷卻壓力最高可以達(dá)到80bar，切削液為不含鹵族元素的乳化液；

(2)刀具：試驗用槍鉆為伊斯卡刀具制造公司的合金刀具，切削刃部分采用硬質(zhì)合金材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示；

(3)刀柄：選用HSK A 100 ER32×100和ER32 SEAL 15-16密封卡簧;

(4)試驗件：材料為TC11，經(jīng)過固溶和時效熱處理，硬度達(dá)到HRC35～40，規(guī)格為Φ300×180 mm；

(5)裝夾：采用硬三爪卡盤，裝夾壓力45 bar；

(6)粗糙度檢測儀：檢查孔加工表面質(zhì)量。

圖1　槍鉆結(jié)構(gòu)示意圖

2.2鉆削工藝方案

工藝方案決定零件具體的加工過程，影響加工效率和加工精度。由于該零件所加工的孔為長徑比大于20的深孔，工藝方案的確定就更加重要。槍鉆的使用與普通鉆頭不同，除了預(yù)鉆孔要有嚴(yán)格的要求，切削參數(shù)還得進(jìn)行精確控制，才能既保證質(zhì)量，又盡可能縮短加工時間，同時提高刀具的使用壽命。所以要想全面掌握深孔鉆削加工工藝，使槍鉆加工深孔時能夠達(dá)到滿意的效果，必須熟練掌握槍鉆加工系統(tǒng)(包括刀具、機床、夾具、附件、工件、控制單元、冷卻液和操作程序)的性能，根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)及工件材料的硬度以及槍鉆專機的工作情況和質(zhì)量要求，選擇適當(dāng)?shù)那邢魉俣?、進(jìn)給量、刀具幾何參數(shù)、硬質(zhì)合金牌號和冷卻液參數(shù)[15-16]。通過切削試驗，摸索加工經(jīng)驗，不斷積累和改進(jìn)切削參數(shù)，才可以使工藝方案能夠加工出合格的產(chǎn)品。本文設(shè)計具體鉆削方案如下：

(1)打點：用中心鉆在孔的端面上預(yù)鉆中心點，使鉆削的位置更加精確。由于打點刀具加工深度較小，切削熱很小，排屑相對順暢，采用普通合金中心鉆外冷就能滿足加工要求；

(2)預(yù)鉆引導(dǎo)孔：用Φ5.5mm的鉆頭預(yù)鉆2倍槍鉆直徑深度的孔作為槍鉆加工時的引導(dǎo)孔，由于鉆頭直徑較小且切削較深，采用內(nèi)冷合金鉆頭提高冷卻效率，以保證預(yù)鉆孔的加工質(zhì)量；

(3)修正引導(dǎo)孔：用端刃銑刀將引導(dǎo)孔進(jìn)一步修正，保證引導(dǎo)孔的位置和尺寸符合要求，從而使槍鉆在加工時產(chǎn)生自導(dǎo)向；

(4)深孔鉆削：將槍鉆沿引導(dǎo)孔按較低的切削速度導(dǎo)入預(yù)定加工位置，然后高速進(jìn)行深孔鉆削，完成深孔加工并保證設(shè)計要求。

2.3鉆削參數(shù)確定

槍鉆屬于高速切削刀具，雖然每轉(zhuǎn)進(jìn)給量較低，但其轉(zhuǎn)速高，每分鐘進(jìn)給量遠(yuǎn)大于麻花鉆[7]。根據(jù)加工經(jīng)驗和槍鉆合金材料的能力，進(jìn)給量采用適中的0.03 mm/轉(zhuǎn)，試驗低、中、高3組轉(zhuǎn)速參數(shù)，分別為2 000轉(zhuǎn)/分鐘、2 500轉(zhuǎn)/分鐘、3 000轉(zhuǎn)/分鐘，換算成每分鐘進(jìn)給量則分別為60 mm/分鐘、75 mm/分鐘和90 mm/分鐘。

2.4槍鉆切削程序設(shè)計

圖2是槍鉆鉆削循環(huán)圖，槍鉆先以快速進(jìn)給方式運動到安全平面，再以槍鉆導(dǎo)入進(jìn)給量運動到槍鉆工作起始平面(此時槍鉆產(chǎn)生一定量的切削，但切削量很小)，再以槍鉆切削進(jìn)給量進(jìn)行深孔加工，到達(dá)底部后以快速進(jìn)給或設(shè)定的進(jìn)給運動到回退平面，從而完成一個孔的鉆削。

圖2　槍鉆鉆削循環(huán)圖(GP-起始平面；RFP-基準(zhǔn)平面；

由于在進(jìn)行鉆削試驗時，需要反復(fù)調(diào)整鉆削參數(shù)，若采用一般的G代碼程序，調(diào)整過程較為繁瑣，容易發(fā)生誤操作。由于該零件每個孔鉆削循環(huán)相對固定，18個孔沿圓周均布且十分規(guī)律，所以可以采用西門子循環(huán)編程指令和高級編程指令簡化編程，用賦值語句將所有需要反復(fù)調(diào)整的切削參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，從而方便程序的調(diào)整。槍鉆試驗加工用程序和說明如下：

N0001 R1=500;;;槍鉆導(dǎo)入轉(zhuǎn)速

N0002 R2=15;;;槍鉆導(dǎo)入進(jìn)給量

N0003 R3=3000;;;槍鉆切削轉(zhuǎn)速

N0004 R4=90;;;槍鉆切削進(jìn)給量

N0005 R5=125/2;;;孔的分度圓半徑

N0006 R6=200;;;退回平面

N0007 R7=-122;;;鉆削深度

N0008 R8=-12;;;槍鉆工作起始平面

N0009 R9=360/18;;;兩孔間夾角

N0010 R10=0;;;基準(zhǔn)平面

N0011 R11=10;;;安全平面

N0012 R12=0;;;鉆削起始角度

N0013 TLCH1("tool",-90,0);;;調(diào)刀命令

N0014 G54

N0015 G94 M3=3 S3=R1;;;設(shè)置導(dǎo)入轉(zhuǎn)速

N0016 G0 X1=R5

N0017 Z1=R6

N0018 TLZTRANS(R5,R10);;;坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

N0019 G0 X1=0 Y1=0 Z1=R11 C1=R6 M3=8 M99;;;高壓冷卻液打開

N0020 Z18HOLES:N0021 G1 Z1=R10+1 F3000

N0022 Z1=R10+1 F=R3

N0023 G1 Z1=R8 F=R2;;;槍鉆以R2進(jìn)給速度導(dǎo)入預(yù)鉆孔

N0024 S3=R3;;;設(shè)置槍鉆切削轉(zhuǎn)速

N0025 G1 Z1=R7 F=R4;;;槍鉆加工深孔

N0026 S3=R1

N0027 Z1=5 F500;;;槍鉆加工后退回

N0028 G1 Z1=R11 F1000

N0029 R12=R12-R9

N0030 G1 C1=R12 F3000

N0031 IF R12>-360 GOTOB Z18HOLES

N0032 G1 Z1=R6 F3000 M3=9

N0033 TLZTRANS(0,0)N0034 M3=5

N0035 GOHOME

N0036 M30

3　試驗結(jié)果分析與改進(jìn)

經(jīng)過6次深孔鉆削試驗，共鉆了108個孔，消耗2把槍鉆，其中切削試驗1、2、3順次進(jìn)行，用的是同一把槍鉆，切削試驗4、5、6順次進(jìn)行，用的是另一把槍鉆，試驗所用加工參數(shù)和試驗結(jié)果見表1。對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，鉆削過程主要是槍鉆導(dǎo)入和槍鉆鉆削，隨著導(dǎo)入速度S1、導(dǎo)入進(jìn)給F1、切削轉(zhuǎn)速S2和切削進(jìn)給F2的提高，加工時間呈減少趨勢，切削試驗2所用參數(shù)最小，加工時間最長，而切削試驗5所用參數(shù)最大，加工時間最短。隨著進(jìn)給量和切削轉(zhuǎn)速的增加，切削力也相應(yīng)增大；同一把槍鉆加工過程中，孔的加工數(shù)量增加，刀具磨損逐漸加大，切削時刀具的偏擺和切削力也逐漸增大，所以孔中心的直線度越來越差；而刀具磨損后，孔壁的粗糙度值也增大。每把槍鉆在加工完最后一組孔后，切削刃明顯磨鈍，其表面出現(xiàn)較明顯的毛茬兒和局部微小崩刃，說明刀具馬上就會進(jìn)入急劇磨損階段，也說明切削參數(shù)的提高對刀具壽命的影響較大。

在前5個試驗中，程序運行到“N0024”段，刀具轉(zhuǎn)速迅速由S1提升至S2的同時，刀刃部分開始全部接觸到零件待加工材料，所以瞬間對刀具產(chǎn)生沖擊，發(fā)出1秒鐘左右尖銳的切削聲音，而在鉆速逐漸增大到一定范圍時，在試驗5中產(chǎn)生了崩刃現(xiàn)象。經(jīng)過分析，如果能將槍鉆加速的時間點和全部接觸零件的時間點錯開，使后者稍稍延遲，待完成加速后再進(jìn)行切削，就會避免刀具同時受切削力和加速扭力的雙重作用，從而減小零件對刀具的作用力，降低崩刃的風(fēng)險，提高刀具的壽命。所以，試驗6將槍鉆導(dǎo)入運動的轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低的同時，還將預(yù)鉆孔和擴孔的深度在2倍孔徑的基礎(chǔ)上，增加一個Δ值(約0.3 mm)，使槍鉆切削被適當(dāng)延遲(改進(jìn)的鉆削過程見圖3)。雖然此時仍使用第2把刀具，但在加速瞬間沒有產(chǎn)生尖銳的切削聲音，加工后刀具上的崩刃部分未發(fā)現(xiàn)增大趨勢。加工后粗糙度變化趨勢明顯，但孔的直線度變化較小，說明刀具磨鈍后對孔的直線度影響較小，對表面粗糙度影響較大，而刀具產(chǎn)生崩刃是導(dǎo)致刀具壽命降低的主要原因。

表1　鉆削試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

S1-槍鉆導(dǎo)入轉(zhuǎn)速(rev/min)；F2-槍鉆導(dǎo)入進(jìn)給量(mm/min)；S2-槍鉆切削轉(zhuǎn)速(rev/min)；F2-槍鉆切削進(jìn)給量(mm/min)；T-加工時間(min)；L-刀具壽命，以孔加工數(shù)量進(jìn)行衡量；ST-直線度(mm)；Ra-粗糙度(μm)。

結(jié)合以上試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，應(yīng)用改進(jìn)后的鉆削循環(huán)，綜合考慮質(zhì)量、效率和刀具成本，進(jìn)行了參數(shù)改進(jìn)和二次驗證(驗證結(jié)果見表2)，僅用一把槍鉆加工了90個孔，刀具壽命有一定的提高，表面粗糙度和直線度均滿足要求，切削過程比較順暢和平穩(wěn)，槍鉆加工產(chǎn)生的切屑(見圖4)95%以上小于3 mm，使用80 bar壓力的內(nèi)冷切削液能迅速排出切屑并冷卻刀具和零件，可以滿足零件的優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗加工需求。同時，槍鉆在第5組加工中極速磨損，在正式零件加工時，要將換刀點設(shè)置在第4組孔加工后。

圖3　改進(jìn)后的鉆削循環(huán)圖

鉆削試驗S1F1S2F2TLSTRa15001525007547180.0180.5225001525007547180.0210.5835001525009044.5180.0200.6645001525009044.5180.0230.8255001525009044.5180.0321.05

S1-槍鉆導(dǎo)入轉(zhuǎn)速(rev/min)；F2-槍鉆導(dǎo)入進(jìn)給量(mm/min)；S2-槍鉆切削轉(zhuǎn)速(rev/min)；F2-槍鉆切削進(jìn)給量(mm/min)；T-加工時間(min)；L-刀具壽命，以孔加工數(shù)量進(jìn)行衡量；ST-直線度(mm)；Ra-粗糙度(μm)。

圖4　槍鉆鉆削產(chǎn)生的切屑

4　結(jié)論

(1)鈦合金零件深孔加工可采用打點、預(yù)鉆孔、擴孔、深孔鉆削的加工方案；

(2)預(yù)鉆孔深度要稍大于兩倍孔直徑的長度，使槍鉆切削滯后于槍鉆加速，可有效提高刀具壽命和加工質(zhì)量，采用高壓內(nèi)冷方式能充分提高槍鉆的加工能力；

(3)本文所選定的試驗參數(shù)可為實際零件加工參數(shù)的確定提供必要依據(jù)，有效保證鈦合金深孔結(jié)構(gòu)的加工效率和精度。

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(責(zé)任編輯：劉劃英文審校：王云雁)

收稿日期：2015-10-22

作者簡介：潘玉良(1976-),男，遼寧沈陽人，高級工程師，主要研究方向：航空發(fā)動機盤環(huán)類零件加工技術(shù)，E-mail：limpax@163.com。

文章編號：2095-1248(2016)02-0041-05

中圖分類號：TG523

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.2095-1248.2016.02.008

Aviation titanium alloy part deep-hole drilling process

PAN Yu-liang,JIANG Xue-mei,JIANG Ying

(Technology Center,Shenyang Liming Aero-Engine Group Corporation Ltd，Shenyang 110043，China)

Abstract：A new technique was proposed to solve the problem of deep-hole-drlling of titanium alloy with a gundriller.The process plan was designed based on the analysis of the part process characteristics,and the drilling process route was improved and validated by numerical control programs.Results showed that if the pre-drilling depth was twice bigger than the hole diameter,the cutting movement would lag behind the acceleration of the gun driller,which could improve the driller life and processing quality in the optimized process plan.The processing efficiency and precision can be enhanced by optimizing the drilling parameters.

Key words：aviation titanium alloy;deep hole;gundrill;drilling