Ti2AlNb合金深細(xì)孔的高效切削加工工藝技術(shù)研究

蘇云玲 周 賀 劉月萍 羅遠(yuǎn)鋒

（北京動(dòng)力機(jī)械研究所，北京 100074）

Ti2AlNb合金深細(xì)孔的高效切削加工工藝技術(shù)研究

蘇云玲 周 賀 劉月萍 羅遠(yuǎn)鋒

（北京動(dòng)力機(jī)械研究所，北京 100074）

以某航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)用頭部裝置支板的加工為例，針對(duì)Ti2AlNb合金的材料特性、切削性能，研究了長(zhǎng)徑比為30倍的深細(xì)孔高效切削加工工藝技術(shù)。通過對(duì)不同刀具及其切削參數(shù)進(jìn)行切削試驗(yàn)驗(yàn)證，給出了適用的刀具及其切削參數(shù)，并總結(jié)出了一套適用于Ti2AlNb合金深細(xì)孔高效切削的加工工藝方法。為TiAl基類輕質(zhì)難加工合金材料的高效切削技術(shù)研究提供了思路。

航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)；Ti2AlNb；深細(xì)孔；高效切削

1 引言

Ti2AlNb合金材料是一種輕型、優(yōu)質(zhì)的高溫合金材料，因?yàn)槊芏鹊颓腋邷匦阅軆?yōu)越，成為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)核心承力件材料的首選。但由于導(dǎo)熱性較差，且質(zhì)粘，導(dǎo)致其切削性能較差，尤其在深細(xì)孔的加工方面，多采用全切深啄鉆的方式進(jìn)行加工，加工效率低下且刀具成本較高。加工完成的孔壁表面粗糙，導(dǎo)致產(chǎn)品實(shí)際工作性能的減退甚至無法使用。

本文針對(duì)Ti2AlNb材料深細(xì)孔的高效切削技術(shù)，以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)支板的加工為例，開展了深入研究，通過試切總結(jié)出了一套適用于Ti2AlNb合金深細(xì)孔高效切削的刀具參數(shù)，并給出了適用的加工工藝方案。

2 切削參數(shù)對(duì)刀具壽命的影響規(guī)律

由于Ti2AlNb合金為耐熱合金，所以在高溫環(huán)境下具有很好的耐熱特性。但因其熱傳導(dǎo)性較差，在切削過程中產(chǎn)生的熱量不能快速傳導(dǎo)出去并散發(fā)，所以其切削性能極差，導(dǎo)致在切削區(qū)域產(chǎn)生較高的切削溫度，刀具溫度也隨之升高，進(jìn)而對(duì)刀具的使用壽命及磨損形態(tài)產(chǎn)生較大影響。在刀具磨損與耐用度對(duì)比試驗(yàn)中，刀具正常切削階段的磨損主要由較高的切削溫度引起，占主導(dǎo)地位的磨損形式為熱磨損[1]。

以Ti2AlNb材料支板深細(xì)孔的加工為例，通過開展正交試驗(yàn)，研究了Ti2AlNb合金切削用刀具的壽命即刀具切削總深度隨切削速度、進(jìn)給量、切削深度三要素的變化規(guī)律，可用于優(yōu)化選擇切削工藝參數(shù)，從而獲得較好的刀具耐用度。正交試驗(yàn)中，根據(jù)Ti2AlNb合金的材料特點(diǎn)、深細(xì)孔的結(jié)構(gòu)特征，選取切削速度、進(jìn)給量、切削深度三個(gè)因素，每個(gè)因素選取四個(gè)水平：切削速度分別為 10m/min、15m/min、20m/min、25m/min；進(jìn)給量分別為5mm/min、10mm/min、20mm/min、30mm/min每刀切削深度分別為0.5mm、2mm、5mm、10mm。試驗(yàn)參數(shù)的正交組合和相應(yīng)的刀具切削總深度L的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 正交切削試驗(yàn)與結(jié)果分析

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，可知切削速度對(duì)Ti2AlNb切削用刀具耐用度影響最大，進(jìn)給量次之，切削深度的影響最小。且當(dāng)切削速度為15mm/min左右時(shí)，刀具耐用度最好，當(dāng)?shù)陀诨蚋哂诖朔秶鷷r(shí)，刀具耐用度都會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降。同時(shí)為了盡可能地提高刀具耐用度，應(yīng)優(yōu)先考慮降低進(jìn)給量。另外，由表1可知，最優(yōu)的切削參數(shù)組合為A2B1C2，即要想減少刀具磨損，進(jìn)而獲得較長(zhǎng)的刀具壽命，推薦采用的切削參數(shù)為：切削速度v=15m/min，進(jìn)給量為F=5mm/min，切削深度ap=2mm。

3 切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

Ti2AlNb合金相對(duì)于其它普通金屬材料，具有強(qiáng)度高、韌性好、熱導(dǎo)率低及高溫特性好的優(yōu)良特性，與此同時(shí)，也對(duì)其切削加工產(chǎn)生了一系列不利的影響，如切削力較大，切削溫度高，切削熱無法快速導(dǎo)出，加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，容易產(chǎn)生積屑瘤，刀具磨損較快，切屑不易折斷等等，因此，材料的切削加工性較差。而傳統(tǒng)的加工方法因?yàn)榈毒卟馁|(zhì)、切削刃形式、切削參數(shù)、加工工藝等因素的影響，表面加工質(zhì)量的差異性較大。

在攻關(guān)過程中，根據(jù)材料的切削特性，選用所定制的整體硬質(zhì)合金深孔鉆，采用不同的切削參數(shù)進(jìn)行試切實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)不同參數(shù)條件下孔壁表面的表面粗糙度進(jìn)行了比較、分析。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，可知進(jìn)給量對(duì)Ti2AlNb材料孔加工表面的表面粗糙度影響最大，切削速度次之，切削深度的影響最小。因?yàn)樵谥О迳罴?xì)孔的加工中，刀具耐用度是首要考慮因素，綜合考慮加工表面粗糙度，推薦采用的刀具參數(shù)為：切削速度 v=15m/min，進(jìn)給量為F=5mm/min，切削深度ap=2mm。

4 切削參數(shù)對(duì)切屑形態(tài)的影響規(guī)律

當(dāng)?shù)毒呓Y(jié)構(gòu)相同時(shí)，不同的切削參數(shù)所形成的切屑形態(tài)是不同的。普通切削速度下，切屑的形貌與被切削材料的力學(xué)性能及物理性能之間有著非常重要的關(guān)系[2]。比如，當(dāng)金屬材料塑性較大時(shí)，形成的切屑多為條帶狀；當(dāng)金屬材料偏脆性時(shí)，形成的切屑多為獨(dú)立的片狀切屑；而當(dāng)金屬材料本身硬度較高或熱物理性能較差時(shí)，則切屑多成鋸齒狀。而不同的切屑形態(tài)對(duì)金屬切削過程中的刀具磨損、排屑及加工表面質(zhì)量等都具有重要的影響。相反，刀具切削參數(shù)、工件材料等對(duì)切屑形態(tài)也有很大影響。對(duì)任何一種金屬材料及同一種刀具，在切削參數(shù)的整個(gè)變化區(qū)間內(nèi)，總有一組參數(shù)，可以使切削速度、切屑形態(tài)及刀具耐用度等達(dá)到最佳狀態(tài)，即切削效率最高，表面質(zhì)量最好，刀具壽命最長(zhǎng)。

Ti2AlNb材料中鈮的含量較高，粘性較大，且導(dǎo)熱性差，所以切削過程中產(chǎn)生的切削熱不能快速散熱，導(dǎo)致刀具磨損較快，刀具耐用度較差，不同切削狀態(tài)下產(chǎn)生的切屑形態(tài)也不一樣。對(duì)比如圖1所示。

5 深細(xì)孔的加工工藝

通過試切法，從刀具磨損情況、刀具尺寸及其加工后的孔尺寸對(duì)比、切屑狀態(tài)、切削聲音等方面進(jìn)行分析、對(duì)比，最終確定了適用于Ti2AlNb基合金深細(xì)孔的高效加工工藝方案，流程為引導(dǎo)孔加工→初始進(jìn)刀→初始切削→正常切削→退刀。

5.1 引導(dǎo)孔加工

首先用引導(dǎo)鉆加工出1.5D～2D深度的引導(dǎo)孔，如圖2所示。其中，D為待加工孔的直徑，確保引導(dǎo)孔深度滿足對(duì)深孔鉆刀具的定心和引導(dǎo)作用，避免刀具在加工過程中因震顫、離心作用影響而導(dǎo)致孔徑偏大和孔壁表面粗糙度較低；在引導(dǎo)孔深度方向均勻取三個(gè)截面測(cè)量孔徑，要求孔徑偏差不大于0.05mm。從而可以保證引導(dǎo)孔與深孔鉆之間動(dòng)態(tài)間隙為0.02～0.05mm，加強(qiáng)引導(dǎo)孔對(duì)深孔鉆刀具的引導(dǎo)和定心作用，提高孔的加工精度。

5.2 初始進(jìn)刀

將主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為100～200r/min并開啟主軸，刀具內(nèi)部冷卻系統(tǒng)不開啟，以3～5m/min的線速度進(jìn)刀至引導(dǎo)孔，并達(dá)到1～1.4D深度，如圖3所示。其中D為待加工孔直徑。

較低的主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置可以有效減小刀具旋轉(zhuǎn)過程中的離心力，保證刀具的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)引導(dǎo)孔起到一定的校正作用。

5.3 初始切削

提高主軸轉(zhuǎn)速至250～300r/min，設(shè)置進(jìn)給量為F30～50mm/min，內(nèi)部冷卻液壓力為30bar，切削至3D深度，其中，D為待加工孔直徑。

在進(jìn)入引導(dǎo)孔的初始階段，因?yàn)樯羁足@進(jìn)入深度較淺，合理設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速，可以有效減小刀具旋轉(zhuǎn)過程中的離心力，保證刀具的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)引導(dǎo)孔起到進(jìn)一步的校正作用。

5.4 正常切削

提高主軸轉(zhuǎn)速至350～400r/min，調(diào)節(jié)內(nèi)部冷卻液壓力至15～20bar，進(jìn)行正常切削。當(dāng)深孔鉆刀具深度達(dá)到3D以上時(shí)，引導(dǎo)孔的定心和引導(dǎo)作用得到充分發(fā)揮，所以可以設(shè)置較高的主軸轉(zhuǎn)速。

5.5 退刀

全切深加工完成后，降低主軸轉(zhuǎn)速至 100～200r/min，同時(shí)關(guān)閉刀具內(nèi)部冷卻系統(tǒng)，刀具沿孔中心軸線方向退刀至工件外部。

6 切削質(zhì)量及效率對(duì)比

在深細(xì)孔的傳統(tǒng)加工方法中，多采用普通麻花鉆加工或者電火花加工[3]。因?yàn)榈毒咝阅?、切削刃結(jié)構(gòu)、加工工藝或者是加工設(shè)備本身的客觀限制，傳統(tǒng)加工方法不僅加工質(zhì)量差，而且加工周期長(zhǎng)，效率低下。通過針對(duì)Ti2AlNb材料的高效切削開展相關(guān)技術(shù)研究，確認(rèn)了適用的刀具、切削參數(shù)及其Ti2AlNb基合金材料深細(xì)孔加工工藝。

表2 高效切削方式與普通深孔鉆加工、電加工方法效果對(duì)比

其實(shí)際切削效果與普通深孔鉆加工、電加工等傳統(tǒng)加工方法的對(duì)比如表2所示。由表2可以看出，通過研究所得的高效切削方法進(jìn)行加強(qiáng)筋內(nèi)孔的加工明顯縮短了加工時(shí)間，提高了加工效率。加工完成的孔壁表面質(zhì)量有明顯改善。

7 結(jié)束語

針對(duì)Ti2AlNb基合金材料的高效切削，通過技術(shù)研究確定了切削參數(shù)對(duì)刀具耐用度、切削表面粗糙度及切屑形態(tài)的影響規(guī)律，給出了適用于Ti2AlNb合金高效切削的刀具及其切削參數(shù)，并總結(jié)出了適用的高效切削加工工藝方案。通過實(shí)際加工驗(yàn)證，本文的研究成果可有效提高Ti2AlNb基合金的切削效率，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)徑比為30倍的深細(xì)孔的高效切削。

1 蘇國(guó)勝.高速切削中切削速度對(duì)工件材料力學(xué)性能和切屑形態(tài)的影響機(jī)理[M].北京：中國(guó)科學(xué)雜志社，2012

2 趙如意.深孔鉆削切屑形態(tài)的研究[M].北京：新技術(shù)新工藝雜志社，2010

3 王竣.現(xiàn)代深孔加工技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，2005

Efficient Machining Technology Research of Deep Pores in Ti2AlNbAlloys

Su Yunling Zhou He Liu Yueping Luo Yuanfeng
(Beijing Energy Machine Institute,Beijing 100074)

Taking a head supporting device used for aerospace engine as an example,the deep pores that the length to diameter ratio is 30 times efficient machining technology is studied based on the material characteristics and cutting performance of Ti2AlNb alloys.The suitable cutting tool and cutting parameters are given,and a set of suitable method is summarized for Ti2AlNb alloys deep pores efficient cutting based on different cutting tools and its cutting parameters on cutting test.A train of thought is provided for high efficient cutting technology research of TiAl base class of lightweight difficult-to-cut alloys.

aerospace engine；Ti2AlNb；deep pores；efficient-cutting

蘇云玲（1976-），高級(jí)工程師，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：三元流整體葉輪的五軸精密數(shù)控加工。

2016-12-19