鈦合金TC4壓圈螺孔數(shù)控加工工藝研究

孫 杰

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

1 600 kW、額定轉(zhuǎn)速6 500 r/min、振速<1.8 mm/s發(fā)電機(jī)是我公司目前生產(chǎn)過(guò)的發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)速最高的電機(jī)，對(duì)發(fā)電機(jī)的各零部件的質(zhì)量、剛性都有較高要求。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到整機(jī)的質(zhì)量及剛性，對(duì)發(fā)電機(jī)組件中的勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心壓圈進(jìn)行了突破常規(guī)的設(shè)計(jì)，即采用輕盈、剛性較好的鈦合金TC4材料。由于鈦合金TC4材料在發(fā)電機(jī)組件制造中較少采用，因此我公司對(duì)鈦合金TC4材料的加工經(jīng)驗(yàn)也較少。

1 勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心壓圈主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本次發(fā)電機(jī)產(chǎn)品中的勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心壓圈采用鈦合金TC4材料，質(zhì)量14.4 kg，比常規(guī)不銹鋼材質(zhì)的質(zhì)量輕50%左右，但剛性與不銹鋼差異不大。壓圈結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 壓圈結(jié)構(gòu)示意圖

壓圈鈦合金TC4材質(zhì)的主要性能參數(shù)如下：

抗拉強(qiáng)度Rm≥895 MPa

屈服強(qiáng)度Rp0.2≥830 MPa

延伸率A4≥10%

從圖1來(lái)看，加工涉及M8、M12兩種螺孔加工。其中，圖1所示的小直徑螺孔12-M8深15 mm，孔至凹槽(Φ224 mm深48 mm)的距離8.96 mm，非常近，凹槽又這么深，加工條件比較苛刻。

2 鈦合金TC4材料及切削特點(diǎn)分析

一般鈦中加入合金元素能提高其性能，可得到不同類型的鈦合金，以滿足航空、航天等工業(yè)對(duì)材料日益增長(zhǎng)的要求。常用的合金元素有鋁、錫、鎬、釩、錳、鐵、鉻、銅、硅等。按退火(空冷)后的組織特點(diǎn)，鈦合金可分為α、α+β、β三類，本次我們壓圈所用的鈦合金TC4，屬于α+β類型。TC4按性能特征分類，屬于高強(qiáng)度鈦合金，抗拉強(qiáng)度為1 030～1 373 MPa。

鈦合金TC4材質(zhì)切削加工性差，主要原因有：(1)導(dǎo)熱、導(dǎo)溫系數(shù)小，容易產(chǎn)生積屑瘤，加速刀具的磨損；(2)切屑與前刀面接觸面積小，刀尖應(yīng)力大，容易磨損甚至損傷；(3)化學(xué)活性高，與金屬形成合金的傾向大，與其他元素易生成脆硬層，降低塑性，促進(jìn)刀具磨損；(4)摩擦系數(shù)大，前刀面摩擦速度高，刀具易于磨損；(5)彈性模量小，屈服比大，加工時(shí)產(chǎn)生較大變形。

根據(jù)以上鈦合金TC4材質(zhì)的切削特點(diǎn)，切削刀具一般選擇含鈷高速鋼刀具，如M35、M42；或硬質(zhì)合金棒材類刀具，如鎢鈷類硬質(zhì)合金，典型的牌號(hào)有YG8、YG6X。加工鈦合金時(shí)，刀具切削角度一般應(yīng)選較小的前角，可以顯著提升其切削刃強(qiáng)度和抗崩能力；選用較大的后角，可以減少刀具后面與過(guò)渡表面及加工表面的接觸面積；加工鈦合金時(shí)，其刀具切削速度可以適度的降低，背吃刀量可以放大，進(jìn)給量應(yīng)適度的降低。

3 鈦合金TC4壓圈加工工藝

鈦合金TC4壓圈螺孔金加工，以M8螺孔為研究對(duì)象，分別從螺孔底孔、螺紋加工入手，對(duì)各自涉及的設(shè)備、刀具、切削液、切削參數(shù)、編程等幾方面進(jìn)行摸索研究。

3.1 螺孔底孔加工

(1) 設(shè)備

Z3025搖臂鉆床、XR1500立銑加工中心

(2) 刀具的選擇

鉆螺孔底孔，刀具采用：含鈷高速鋼選用M35材質(zhì)的普通麻花鉆；鎢鈷類硬質(zhì)合金可選用YG8材質(zhì)的整體硬質(zhì)麻花鉆。

(3) 切削液

采用較廉價(jià)且通用的乳化液。鉆削用切削液最主要的特性是它的冷卻和潤(rùn)滑能力。潤(rùn)滑能減少鈦切屑與鉆頭間的滑動(dòng)摩擦，并且還能減小鉆頭與鈦合金工件間摩擦產(chǎn)生的能量。目前，鉆削鈦合金大多采用乳化液或切削油。

(4) 最佳切削三要素

加工螺孔M8深15 mm時(shí)，分別用M35高速鋼Φ6.8 mm普通麻花鉆、YG8整體硬質(zhì)合金Φ6.75 mm麻花鉆頭進(jìn)行試切削，分別獲得了各自的最佳切削三要素。

M35高速鋼Φ6.8 mm普通麻花鉆，如圖2所示。

圖2 M35高速鋼麻花鉆鉆孔

設(shè)備：Z3025搖臂鉆床

切削參數(shù)：n=150 r/min、f=0.09～0.13 mm/r

YG8整體硬質(zhì)合金Φ6.75 mm麻花鉆頭，如圖3所示。

圖3 YG8硬質(zhì)合金整體麻花鉆鉆孔

設(shè)備：XR1500立銑加工中心

切削參數(shù)：n=1 000 r/min、f=0.1 mm/r

以上兩種螺孔底孔，配套對(duì)應(yīng)的螺紋加工方法。第一種方法，M35高速鋼Φ6.8 mm普通麻花鉆加工的螺孔底孔，用手用絲錐攻螺紋；第二種方法，YG8硬質(zhì)合金Φ6.75 mm整體麻花鉆頭加工的螺孔底孔，用整體螺紋銑刀銑螺紋。

注：鈦合金材質(zhì)彈性模量小，屈服比大，加工時(shí)產(chǎn)生較大變形，手用絲錐不宜退出，因此選用M35高速鋼Φ6.8 mm普通麻花鉆，加工螺紋底孔至允許公差的最大值，減少加工余量。

3.2 螺孔螺紋加工

(1) 設(shè)備

XR1500立銑加工中心

(2) 刀具的選擇

鈦合金材質(zhì)攻絲相當(dāng)困難。這是由于鈦合金的彈性模量小、摩擦系數(shù)大、熱擴(kuò)散率低，以及絲錐與工件的接觸面積大等原因，造成摩擦扭矩大，絲錐耐用度低(還常常折斷絲錐)。切屑細(xì)小容易粘在絲錐和加工表面上，加工表面的粗糙度高。

鈦合金材質(zhì)攻絲阻力較大，因此螺孔底孔加工至最大，減少攻絲阻力，采用M35高速鋼兩攻手用絲錐。經(jīng)過(guò)試加工，發(fā)現(xiàn)主要有兩個(gè)問(wèn)題：①攻絲時(shí)較順利，但是絲錐退出時(shí)，由于鈦合金彈性變形較大，造成阻力大，絲錐后角很容易發(fā)生崩牙現(xiàn)象，一旦崩牙，絲錐就容易折斷；②絲錐損耗大，一套手用絲錐只能攻2～3個(gè)螺孔，往往崩牙就無(wú)法使用。鑒于以上兩個(gè)問(wèn)題，刀具調(diào)整為YG8整體硬質(zhì)合金螺紋銑刀，由于刀刃較長(zhǎng)，刀柄相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)螺紋銑刀，由Φ8mm加粗至Φ10 mm，增加刀具剛性，減少切削讓刀。同時(shí)利用數(shù)控機(jī)床編程銑削量分5次銑螺紋，其優(yōu)勢(shì)在于螺孔底孔不需做大，標(biāo)準(zhǔn)底孔即可。

另外，壓圈螺孔12-M8深20 mm，在沉槽中且離開沉槽的壁很近。標(biāo)準(zhǔn)螺紋銑刀有效刃長(zhǎng)不夠長(zhǎng)，若定制加長(zhǎng)非標(biāo)螺紋銑刀，剛性下降，銑削時(shí)容易發(fā)生振動(dòng)，精度不容易控制。因此在試切削時(shí)，加工配套一根Φ6 mm直柄式延長(zhǎng)桿，既保證了切削剛性，解決了切削位置苛刻難點(diǎn)，又節(jié)省了刀具費(fèi)用，如圖4所示。

圖4 直柄式延長(zhǎng)桿加工M8的示意圖及分析

(3) 切削液

手用絲錐攻螺紋，采用極壓不銹鋼攻絲油涂刷在絲錐表面，使攻絲切削更潤(rùn)滑，減少切削摩擦，提高了表面粗糙度。

整體螺紋銑刀，加工時(shí)有較大切削摩擦，切削熱量較大，需不停用冷卻液沖刷減少切削熱量。試切削時(shí)，采用立銑加工中心，設(shè)備自帶乳化液冷卻。

(4) 螺紋銑刀切削要求

螺紋銑刀較細(xì)，剛性較差，因此螺紋銑刀安裝后，必須測(cè)量其跳動(dòng)，如圖5所示，需≤0.015mm，否則易造成刀具容易折斷、加工精度超差、螺紋表面粗糙度較差等問(wèn)題。

(5) 螺紋銑刀切削方向

由于產(chǎn)品為盲孔，切屑物聚積在盲孔底部，為了避免切屑擠斷螺紋銑刀，實(shí)際切削時(shí)，采用從內(nèi)向外銑削，如圖6所示，每次銑削后，用磁力棒吸出盲孔中的鐵屑，確保每次銑削盲孔中無(wú)切屑。

(6) 銑螺紋專用程序

螺紋銑刀銑螺紋，利用三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，運(yùn)行具有通用性的自編螺紋加工程序，刀具走螺旋線銑削螺紋。自編程序略。

圖5 螺紋銑刀刀柄測(cè)量跳動(dòng)

圖6 螺紋銑刀從內(nèi)向外銑削

(7) 最佳切削三要素

M8螺紋銑刀：3次粗銑2次精銑

n=1 000 r/min、f=0.1 mm/r、ap粗銑=0.2 mm、ap精銑=0.05 mm

4個(gè)鈦合金壓圈，共48個(gè)M8螺孔，刀具未損耗，且每個(gè)螺孔均用螺紋通止塞規(guī)檢驗(yàn)，全部螺孔都合格。

4 結(jié)語(yǔ)

工藝人員經(jīng)過(guò)對(duì)螺紋加工的工藝探索，掌握了鈦合金TC4材料切削性能、切削數(shù)控刀具的種類及最佳切削三要素、銑螺紋加工方式，成功地為企業(yè)解決了鈦合金TC4壓圈的金加工，填補(bǔ)了企業(yè)在這類材料上螺孔金加工的空白。同時(shí)，本文介紹的鈦合金TC4材料上螺孔金加工的經(jīng)驗(yàn)，也推動(dòng)鈦合金材料在行業(yè)中的使用，起到了一定的借鑒作用。

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