鈦合金(TC4)深孔套料的鉆削工藝研究*

昝 瓊， 鄭文翠

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065; 2.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

套料鉆削的加工過程與普通的深孔加工過程比較相似，主要由于斷屑和排屑問題、加工過程處在半封閉狀態(tài)下，不便觀察以及其他原因使得套料鉆削技術(shù)發(fā)展比較緩慢[1-2]。對(duì)于鈦合金材料加工，更是受到其工藝、剛度、強(qiáng)度、切削刀具的磨損、導(dǎo)向塊磨損和排屑難等諸多因素影響，在鈦合金(TC4)套料加工時(shí)，轉(zhuǎn)速n=110 r/min、進(jìn)給量f=0.20 mm/r、切削液流量Q=125 L/min時(shí)，棒料表面粗糙，內(nèi)孔表面精度一般，在加工過程中出現(xiàn)堵屑以及打刀等現(xiàn)象[3]。對(duì)于這一加工現(xiàn)象，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

1 鈦合金深孔套料加工技術(shù)

1.1 鈦合金套料鉆削過程及刀具幾何參數(shù)

刀具結(jié)構(gòu)實(shí)物圖，如圖 1(a)所示。相比較內(nèi)排屑方式，在加工過程中通常采用外排屑方式，排出的切屑和中間套出的棒料分別在套料桿的兩邊，切屑與套出的棒料之間沒有較大的影響，并且在加工結(jié)束時(shí)，套出的棒料在一端由于鉆通時(shí)受力不平衡會(huì)向下傾斜，套料桿內(nèi)壁會(huì)給與支撐，這樣切屑的排出和刀具的質(zhì)量就不會(huì)受到影響[4]。由于套料機(jī)床是用普通車床改進(jìn)的，其加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性和剛度以及其他方面都具存在缺陷，為了使得加工過程趨于穩(wěn)定，因此采用焊接式的單齒套料鉆頭。與四齒套料鉆相比較，單齒套料鉆加工過程中系統(tǒng)振動(dòng)比較小，對(duì)于切削力、扭矩、排屑空間、切屑液流量等加工系統(tǒng)的要求也比較小[5]。

為了達(dá)到斷屑以及排屑順暢和延長刀具壽命的目的，套料的刀塊采用軸向階梯分屑形狀，在滿足要求孔徑的前提下，盡可能套出最大直徑的棒料，刀塊沿徑向分為4級(jí)階梯，由于鈦合金材料自身切削特性以及套料加工時(shí)排屑空間比較小[4-5]，經(jīng)過試驗(yàn)研究得刀塊的切削刃寬度最小可以取到15 mm，分屑刀齒的結(jié)構(gòu),如圖1(b) 所示。

圖1 刀具實(shí)物及刀塊三維模型圖

由于鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)、變形系數(shù)小等特點(diǎn)，因此對(duì)于刀頭處切削刃的幾何參數(shù)要求比較高，采用小的前角、大的后角以及較大的主偏角，使切削刃在接觸切削面時(shí)達(dá)到足夠的鋒利，進(jìn)而減小切屑變形的可能性[3,5]。因此選取γ0= 7°，α0=12°，kr=80°，λs=0°。斷屑槽部分我們采用弧狀，在刀齒的中心部位圓弧直徑比兩端小。斷屑臺(tái)的形狀為圓弧狀，半徑在0.5～0.8 mm之間。

1.2 鈦合金套料加工過程中出現(xiàn)問題

(1) 在鈦合金套料加工中容易出現(xiàn)以下問題[7]：排屑出口堵屑 在套料試驗(yàn)加工過程中，切削速度、進(jìn)給量、切削液流量等其他參數(shù)之間設(shè)計(jì)存在不恰當(dāng)?shù)脑?，排屑口設(shè)計(jì)不科學(xué)等因素而導(dǎo)致套料鉆端部的排屑口發(fā)生堵屑現(xiàn)象，影響鈦合金套料的加工質(zhì)量及加工效率。

(2) 入鉆不穩(wěn)定：①由于套料桿在沒有加工前相當(dāng)于一根懸臂梁，當(dāng)開始加工時(shí)，工件端頭部位的入刀槽寬度較窄，不能完全與刀頭部位相交叉，從而沒有形成穩(wěn)定的力學(xué)平衡系統(tǒng)；②加工中采用的導(dǎo)向塊和刀具均是焊接的方式，因此刀尖與導(dǎo)向塊之間的圓周度相對(duì)大一些；③整個(gè)加工系統(tǒng)的剛性原因。

(3) 振動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重：①入鉆時(shí)候的不穩(wěn)定造成的；②切削量的大小直接影響加工過程中的主切削力，進(jìn)而影響整個(gè)加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性。振動(dòng)現(xiàn)象較大時(shí)，會(huì)伴有刺耳的聲音，隨后則會(huì)出現(xiàn)刀塊磨損以及刀尖鈍化現(xiàn)象。

(4) 崩刀現(xiàn)象：在套料加工時(shí)，由于為了達(dá)到切削刃足夠鋒利，因此小前角的容易使得切削力集中于切削刃附近，加之鈦合金套料過程中由于切削液流量問題造成帶狀切屑容易纏繞在套料桿外圍，這樣工件在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中導(dǎo)致切屑越纏越多，則會(huì)出現(xiàn)堵屑現(xiàn)象，進(jìn)而造成鉆削不平穩(wěn)、崩刀等現(xiàn)象。

1.3 鈦合金深孔套料中切削液流動(dòng)及排屑過程分析

在套料鉆孔中，切削液一般是從套料桿的末端進(jìn)入，到達(dá)刀尖處帶走切屑，再從套料桿的外側(cè)將帶狀切屑帶出。隨著套料深度的增加，切削液沿途的阻力增加，切屑排出會(huì)受阻，因此，從端口進(jìn)入的切削液的壓力必須大于切屑沿途受到的阻力。否則，就會(huì)導(dǎo)致帶狀切屑纏繞在套料桿外部，緊接著振動(dòng)會(huì)越來越劇烈，崩刀打刀現(xiàn)象出現(xiàn)，導(dǎo)致正常加工無法繼續(xù)[8]。在通常情況下，采用在確保機(jī)床液壓系統(tǒng)密封性能安全的情況下，采用大的切削液流量，將切屑以及加工過程中產(chǎn)生的切削熱帶走，這樣就可以避免整個(gè)加工過程中因排屑問題而出現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象。

由于鈦合金(TC4)材料的自身特性[10]，要實(shí)現(xiàn)徹底的斷屑對(duì)于切削參數(shù)和刀塊的幾何參數(shù)要求比較苛刻，且切屑也很難排出。在實(shí)際的加工過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)秹K參數(shù)為(γ0= 7°，α0=12°，kr=80°，λs=0°)時(shí)，可以形成擠壓狀態(tài)的帶狀切屑，同時(shí)要求切削液壓力不能過大，以防止切屑在剛離開切削刃時(shí)由于壓力過大而被折斷；當(dāng)切屑刀尖處的壓力大于套料刀尖處的壓力時(shí)，切屑將被拉斷[11]。因此在鈦合金套料加工時(shí)要選取合適的進(jìn)給量，確保切屑能夠隨切削液的流出而順利的排出，同時(shí)對(duì)于套料加工，根據(jù)流出時(shí)切屑的形狀方便觀察刀具的磨損情況，如遇到輕微堵屑可以及時(shí)將鉆桿向后退出一些距離，待切屑流出后再進(jìn)刀繼續(xù)加工，避免產(chǎn)生刀具失效，影響加工效率。

在孔徑不變的情況下，隨著套料深度的增加，為了克服由于深度增加而導(dǎo)致刀尖處切屑液減小使得排屑不順暢，因此通過增加切削液入鉆時(shí)的壓力和流量來改善這種現(xiàn)象。但是在實(shí)際加工中，由于切削液系統(tǒng)的密封性以及齒輪泵功率的限制，通常采取增加切削液流量來提高加工時(shí)的排屑效率[13]。

1.4 必須滿足的強(qiáng)度及剛度條件

在套料加工中，采用棒料旋轉(zhuǎn)，套料鉆頭直線進(jìn)給的加工方式[14]。

在套料桿向前移動(dòng)、刀具與工件之間產(chǎn)生擠壓的過程中，前端部會(huì)受到工件向后的反作用力，反作用力的大小對(duì)于是否產(chǎn)生屈服具有一定的影響，因此，為了保證在加工過程中不因強(qiáng)度不夠而影響加工，最大工作壓力σmax不得超過40Cr材料的許用壓力[15]。

在工件的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，工件也會(huì)對(duì)鉆桿的端部產(chǎn)生反向扭矩[16]，為了使在加工過程中克服此扭矩而產(chǎn)生的屈服失效，因此必須使套料桿內(nèi)的最大的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力不得超過40Cr的扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力。在加工過程中，轉(zhuǎn)速過大時(shí)會(huì)使得扭轉(zhuǎn)角過大，進(jìn)而會(huì)引起強(qiáng)烈的振動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)由于振動(dòng)引起的打刀崩刀現(xiàn)象，因此還要對(duì)扭轉(zhuǎn)變形做一定的限制。

2 鈦合金(TC4)套料的試驗(yàn)研究

首先，將直徑為Ф150 mm的套料鉆桿和待加工的鈦合金(TC4)棒料分別裝夾在套料機(jī)床上，用磁力百分表對(duì)棒料進(jìn)行校正，保證套料鉆桿可以順利進(jìn)入棒料端部的入刀槽內(nèi)。在套料結(jié)束時(shí)，為了防止套出的棒料下垂破壞刀具，會(huì)根據(jù)剩余鉆削用量的多少進(jìn)行停刀，采用自動(dòng)下落的方法使得工件與芯棒分離。采用進(jìn)給量為f=0.17 mm/r、f=0.19 mm/r、f=0.20 mm/r、f=0.22 mm/r 的鉆削用量，Q=125 L/min、Q=250 L/min的切削液流量，切削液壓力為2.5 MPa，加工長度為1 120 mm，在加工過程中采用應(yīng)變片測(cè)力的方法測(cè)量其軸向力和扭矩，對(duì)排出切屑形態(tài)和刀具磨損情況進(jìn)行觀察。

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖2所示，孔壁和套出的料棒的粗加工后所得的尺寸精度均可達(dá)IT8，表面的粗糙度可達(dá)3.2 μmm。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在相同的轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)給量的增加，切削力和扭矩都是從小值逐漸變大的一個(gè)過程。對(duì)于整個(gè)加工過程觀察發(fā)現(xiàn)鈦合金的切削加工過程是受擠壓而產(chǎn)生剪切滑移變形的過程。根據(jù)排出的帶狀切屑形態(tài)，發(fā)現(xiàn)其切削加工過程是一個(gè)連續(xù)性的加工過程。

圖2 零件加工效果圖

在對(duì) TC4 鈦合金的整個(gè)套料加工試驗(yàn)過程中，

如表1所示，隨著進(jìn)給量的增大，將切削液流量逐漸增大后，發(fā)現(xiàn)堵屑現(xiàn)象也得到有效的克服。在轉(zhuǎn)速為n=110 r/min、進(jìn)給量f=0.2 mm/r、切削液流量Q=250 L/min時(shí)，無堵屑現(xiàn)象，刀具(見圖3(b))中刀塊出現(xiàn)輕微的鈍化。但是在轉(zhuǎn)速n>110 r/min、進(jìn)給量f>0.2 mm/r時(shí)，出現(xiàn)堵屑現(xiàn)象，并且刀塊在靠近套出棒料的一側(cè)刀尖崩掉。在一定的切削液流量下，由于進(jìn)給量的增大，整個(gè)加工過程中的扭矩變大，加工過程中出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而加劇刀具的磨損，切屑出現(xiàn)斷屑現(xiàn)象，如圖4所示，容易使得刀尖崩掉。當(dāng)進(jìn)給量f=0.19 mm/r和f=0.20 mm/r時(shí)，切屑分屑效果良好，其切屑形態(tài)如圖5所示，切削流量Q=250 L/min時(shí)無振動(dòng)現(xiàn)象且切屑排出比較順暢，能實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間的套料加工。

表1 試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

圖3 刀具表面磨損

圖4 斷屑時(shí)切 圖5 分屑良好時(shí) 屑形態(tài) 切屑形態(tài)

3 結(jié) 論

通過對(duì)鈦合金深孔套料時(shí)出現(xiàn)問題的分析及改進(jìn)，并進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

(1) 鉆頭幾何參數(shù)采用γ0= 7°，α0= 12°，kr=80°，λs=0°時(shí)，切削參數(shù)為：轉(zhuǎn)速n=110 r/min、進(jìn)給量f=0.2 mm/r、切削液流量Q=250 L/min時(shí)，加工效果最優(yōu)，加工效率最高。

(2) 套料加工過程中，刀具的結(jié)構(gòu)、進(jìn)給量、及切削液流量對(duì)切屑的形態(tài)和刀尖的磨損均有影響，其中進(jìn)給量對(duì)切屑形態(tài)和刀具的磨損影響最大，切削液流量主要影響切屑的排屑效果影響，在鈦合金(TC4)套料加工中的切屑形態(tài)為擠壓剪切的帶狀切屑。

(3) 在孔徑不變的情況下，隨著套料深度的增加，切削液過刀尖處是的壓力會(huì)逐漸的減小，為了克服由于切削液過刀尖處是的壓力減小使得排屑不順暢，因此通過增加端口進(jìn)入時(shí)切削液壓力和流量Q。通常采取增加流量Q，來提高加工時(shí)的排屑效率。

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